先說個事情，這幾天的文章比較硬核，有泄密之嫌疑，為了縮減影響范圍，一些文章只有粉絲可見，不關注是看不到的。

昨天特別逗的一件事來自于于北辰，這位老哥說可以在坦克飛機上裝鏡子來破解我們的LY-1激光炮。對于這件事，W君給的回復是有可能性，也有合理性，在大的工程原則上是沒有錯誤的。

先解釋下為什么他的觀點合理：

其實，于北辰一語道出了在很長一段時間內“激光武器不可行”的根本原因，原理上并不復雜，就是幾何光學中的一個基本“公理”叫做光路可逆。

1917 年，愛因斯坦在論文《關于輻射的量子理論》中提出了“受激發(fā)射（Stimulated Emission）”的理論：當特定頻率的光子與激發(fā)態(tài)原子或分子相互作用時，電子會從高能級躍遷到低能級，并釋放出一個與入射光子頻率、偏振態(tài)和傳播方向完全一致的新光子。這樣，光場中的光子就會被“復制”并成倍增長。

這一理論最初只是物理學的推演，但在隨后的幾十年里逐漸被驗證和深入研究，最終發(fā)展出了一種全新的技術——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大），簡稱 Laser，即我們今天所說的“激光”。激光器的具體原理和理論咱們是可以單開一篇文章好好講的。但這件事和今天的話題關聯性并不是很大。

1960年美國研制出了第一臺激光器，我們在學術研究上也并不落后，中國的第一臺激光器在1961年就已經可以工作了。

由于激光（這個詞是錢老取名的，之前咱們的叫法叫做“光的受激輻射放大器”、“光量子放大器”……）是光子的頻率、偏振狀態(tài)、方向、相干性完全一致的放大，而且可以做到成百倍甚至成百萬倍的放大，是帶有天然武器化屬性的，于是，從上世紀六十年代開始，世界各國便前赴后繼地投入到激光武器的研發(fā)中。

按照光學，尤其是幾何光學的基本理論，光當然是可以被反射的。如果一個目標表面能夠把大部分光能量反射掉，那么激光的沉積效率就會大幅下降。換句話說，同樣幾兆瓦的激光，真正能燒到裝甲上的，可能不到十分之一。更糟的是，若反射條件過于理想，部分激光甚至有機會原路返回，直擊發(fā)射端，這對激光器本身就是災難性的威脅。

這正是困擾激光武器發(fā)展初期二十余年的瓶頸所在：一邊是能量供給的巨大負擔，另一邊是目標材料的反射與抗燒蝕特性。簡單說，打不穿，反倒可能把自己燙傷。于是，從上世紀六十年代到八十年代，激光武器雖然熱鬧非凡，但基本停留在實驗室和試驗場，更多是作為“戰(zhàn)略忽悠”的噱頭而非真正能部署的戰(zhàn)斗力。

至于原路返回燒毀我們的激光炮也不是沒有可能，只要是利用微結構制造激光角反射器裝甲就可以有效的對付激光武器。

在現實生活中的激光應用其實也避免不了這樣的現象。這也是為什么W君在開始的那個截圖中回復“高反射率材料是無法切割”的主要原因。

當然了，這是“民用科技”，但如果到軍事上或者更高尖端的設備上，是如何避免激光器自殘的呢？

那么咱們就來復現一下LY-1的關鍵技術。

首先，一個激光武器本身就用不著那么大的鏡面的。而咱們的LY-1激光炮主鏡面直徑超過了1米。

這里有認知誤區(qū)，激光武器并不是手電筒，并不是多大的“鏡頭”就放出多粗的光。

我們在看到的很多演示中看似很粗的光路，實際上是光路上的空氣被激光加熱所釋放出的紅外線，以及本身就是紅外線的激光被空氣中的顆粒散射的結果。

真正的激光武器照射在物體上的光斑實際上很小。

按照光學能量的理論來說越聚光，光線所能傳遞的能量就越大，殺傷力就越高，因此也就沒有必要弄出一米直徑的光路。

之所以把鏡頭（其實是窗口）開得那么大，主要的原因就是在于“能量密度管理”。讓激光炮本身不會被自己所發(fā)出的激光摧毀。激光炮不是發(fā)激光的嗎？怎么會被自己的激光摧毀呢？來看一張W君珍藏的資料圖片：

這輛坦克的炮管被另一輛坦克射出的炮彈所打穿。按理論上講坦克炮彈不就是坦克炮所發(fā)射出去的嗎？坦克炮承受不住一枚坦克炮彈的打擊？這里面的一個誤區(qū)就在于坦克炮本身的能量管理了。坦克炮的炮彈發(fā)射藥在點燃后產生高壓推動炮彈在炮管內前進，當壓力達到峰值的時候，炮彈已經在炮管內前進了一大段距離。

這時候，坦克內的那一節(jié)炮管內壁共同分擔發(fā)射藥所造成的最大膛壓，隨著炮彈繼續(xù)在炮管中前進，更多的炮管內面積分擔膛壓的壓力，而炮彈則積累了能量轉化成動能最終飛出炮口。而坦克炮彈再打到坦克炮炮管上的時候情況就不一樣了。是在一個極小的接觸點集中釋放動能。坦克炮的全部動能，全部作用在極小的一塊打擊區(qū)域上。局部應力瞬間超過鋼材的屈服極限和斷裂極限，于是即便是炮管就會像一層窗戶紙一樣被打穿，并不會比其他裝甲部分好多少。

其實，我們如果把坦克炮的內壁展開，再和坦克炮的口徑做對比，我們就會發(fā)現，這也是一個壓力分擔的“能量密度管理”案例。

在高能激光武器的射擊中，首先會做一個擴束的操作。將激光器所發(fā)出來能量十分集中的激光光束直徑擴大。

這個操作確保了激光在器材內部傳遞是相對低能量不會對傳輸路徑上的部件產生危害，

等到了窗口鏡片的時候，再匯聚一下就成為了在一定目標距離上具有致命殺傷力的高能量區(qū)域。

這件事和我們小時候用放大鏡聚焦太陽光一樣，放大鏡表面溫度很低，但是焦點燙手是一個道理。

不過，先別高興，如果只有這一點，你還沒有真正搞明白激光武器的原理。

在高功率激光器以及特大功率激光器上，雖然我們可以通過擴束的方式降低激光在激光器內部傳輸的單位密度，但是激光器自己呢？激光器難道不會在擴束前被自己所發(fā)出的激光燒毀嗎？

激光器內部（尤其是增益介質和諧振腔）必須先承受激光的初始強度。

聽到新名詞了是吧？咱們先說一下激光的原理：

這是一個早期的紅寶石激光器：

結構非常簡單，在一根紅寶石棒兩端精確磨平，其中一端很厚的鍍銀，讓光線可以100%的反射，另一端鍍稍微薄一點的銀，讓光線有90%的反射率，也就是說這一面有10%的光線可以透過。在紅寶石棒的外側環(huán)繞了一根氙光管（沒錯，就是汽車氙氣大燈相似的東西），這跟氙光管在點亮的時候可以發(fā)出強光。于是，在點亮氙光管的時候，一束激光就從透射端射出來了。

這個結構就是最早期的激光器，它被歸納為原理圖的時候就是這樣的：

中間就是“增益介質”，兩片鏡子之間就叫做“諧振腔”，環(huán)繞在紅寶石棒外面的氙光管就叫做“能量泵浦”。

看這個：

子彈在擊發(fā)的時候有可能會出現彈殼承受不了內部發(fā)射藥燃氣能量的事故，這時候彈殼就破了。

同樣道理，增益介質和諧振腔正是激光武器的核心部位。它們必須在高功率運行時承受住自身放大的光子能量。

如果材料透明度不夠、散熱不足、損傷閾值太低，就像劣質子彈的彈殼一樣，根本支撐不住能量的沖擊。結果不是激光打到敵人身上，而是激光先把自己的腔體、窗口片甚至增益棒燒穿。

怎么辦？

實際上在大功率激光武器的設計中根本不會考慮光核心元件是不是可以挨上一炮。原因也很簡單，因為任何一個激光武器的諧振腔都承受不住那么大的能量沖擊。

在實驗室挑戰(zhàn)極限，諧振腔、晶體、反射鏡承受不住內部巨大的能量沖擊的事情很常見。但是在軍事上這件事就甭想了。太嬌貴的武器不符合作戰(zhàn)需求。因此大多數的軍用激光武器都不會強到把核心元件燒毀的等級，而是會用上“多核心”技術。

實際上會做成這樣：

用多個激光源匯聚在同一面主鏡上，其實這也不是什么秘密，很多大型高功率光纖激光切割機也是這樣搞的。

通常會把十幾個甚至幾十個激光光源利用光纖匯聚起來，這樣單一發(fā)光模塊的功率可以降低、風險和成本都可控，而最終則是1+1=2的效果。

所以，我們能看到的一個景象就是LY-1是一個巨大的車體上安裝了一臺小激光炮，其實車體內部會有一個艙室內有大量的激光器分擔輸出功率需求。甚至可以斷言真正的用于打擊目標的激光器根本不在那個小小的白色炮塔中。

了解了LY-1的基本信息，那么我們回頭再來看一下于北辰“小放厥詞”的這件事。

首先，于北辰的話不是完全錯誤，而是過于停留在教科書級別的幾何光學推理。從光學理論上來說，“光路可逆”確實成立，如果目標表面能把激光高效反射回去，那發(fā)射端理論上有可能被反噬。

但問題在于“聚焦”這件事就很扯了。一個激光武器目前都會有目標距離探測和校準機制。通常在選定攻擊目標后會裝訂目標的運動和距離信息，調節(jié)主鏡將焦點匯聚在目標身上。但是經過所謂的光路可逆反射回來的激光本身就被“散焦”了，即使有一部分可以原路返回，其單位面積的毀傷能量也不具備殺傷力。

不過這件事在激光武器發(fā)展的初期，英國人的確還是當真的。在上世紀80年代英國開發(fā)出一系列的利用激光的激光致盲武器。

激光反射回來讓自己的士兵受傷這件事就在英國的設計中不得不提高到一個課題的程度。

于是他們搞了一個齒輪觀察鏡，和激光發(fā)射器同頻，高速旋轉，確保在發(fā)射激光的時候，激光束被護目鏡中的齒輪遮擋。

就這件事，在W君年輕的時候還當真過，不過后來琢磨琢磨這不就是借鑒了當年測光速的機械結構嗎？

要說啊，菲索轉齒輪法測光速都已經是1850年代的事情了，到現在已經快200年了吧。所以說“于北辰大破LY-1激光炮，此事早在200年前就有解了”并不算過分。

其次，真到了工程實踐上是怎樣的呢？

實際上大多數激光武器都是高頻脈沖發(fā)射，并不是像很多人想的一樣一開激光炮一束激光持續(xù)照。

這么做的原因在于：在極短的脈沖時間里，激光可以把瞬時能量推到極高水平，換句話說，哪怕平均功率不變，脈沖峰值功率往往能高出幾個數量級。這使得激光在更短的時間窗口內完成能量沉積，大幅提高了毀傷效率。而鏡面材料并不是100%的沒有吸收率，人類所制造的最光滑反射率最高的鏡面莫過于“詹姆斯·韋伯深空望遠鏡”上那幾片了。

它的反射率可以超過 98% 甚至接近 99%。這已經是人類光學制造的巔峰了。但即便如此，仍然有 1% 左右的能量會被吸收。對于天文觀測，這點吸收完全可以忽略不計；但對于兆瓦級激光武器，即便是1%的吸收率也會在高頻激光脈沖下迅速的被擴大。

任何微小瑕疵都會成為能量匯聚點，在極短時間內溫度飆升，材料汽化、形成等離子體，繼而發(fā)生一種典型現象——激光誘導爆炸（Laser-Induced Explosion）。例如上圖，激光照射在鋁靶表面；下方六張快照：分別記錄了在 20~150 納秒量級內，材料表面產生的等離子體羽流（plasma plume）快速膨脹過程。

我們可以看到，哪怕只是極短的能量沉積，也足以在鏡面或金屬表面“炸開”一個等離子體泡。而且這個等離子泡是高溫高壓的，一旦產生材料表面就立刻形成微觀破碎和裂紋，迅速劣化反射度。

最終連燒帶爆一片糊爛。

在這個過程中并不在意是不是個鏡面物體。在強大的能量之下一切都是平等的。唯一的差別就只是韋伯深空望遠鏡級別的表面能多堅持幾毫秒的時間。

但對于軍事上以“干死你”為目的毀傷操作來說，這幾毫秒我們是不在乎的——想起了ETO那句“主不在乎”……哈哈哈