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雷射武器
由於雷射光束具有高亮度、準直性、方向性、同調性的特點,使雷射技術迅速發展。雷射技術的應用不僅在民生上不斷發展,在軍事領域中,更是重點項目之一。
 
 
 
1960年,美國物理學家麥門(T. H. Maiman)在休斯公司首先利用光與共振腔製成了第1部紅寶石雷射。半年後,傑芬、班奈特及漢尼歐特(Javan、Bennett及Henniott)共同開發出第1部氦-氖氣體雷射。1962年霍爾與芬拿(Hall及Fenner)研發出第1部半導體雷射。在邁向21世紀之際,科學家已經可以利用許多材質產生雷射,包括晶體、玻璃、半導體、原子氣體、分子氣體、離子氣體、染料等。

近20年來,由於雷射光束具有高亮度、準直性、方向性、同調性的特點,使得雷射技術迅速發展,並廣泛應用在許多方面,諸如雷射割切、加工、掃描,以及雷射位移計、雷射干涉、雷射醫療、雷射美容、雷射雷達、雷射武器等。雷射技術的應用不僅在民生上不斷發展,也在醫療、工業等各領域中日益擴大,而在軍事領域中,更是各國積極努力研究的重點項目之一。

雷射的基本原理

幾百年來,人類對「光」的本質一直非常好奇,不斷地透過各種方法嘗試揭開它的神祕面紗,希望能夠掌握、控制與有效地運用它。在16世紀,牛頓認為光是粒子,運動時會沿直線前進,如光的反射、物體的陰影等,都可以用這樣的假設來解釋。但是對光的繞射、干涉等現象,郤無法合理解釋,另一位科學家惠更斯對這些現象提出他的看法,認為光是一種波動。

在原子中,處於較低能階的電子可以吸收某些特定頻率的外界光輻射場的能量(光子),而躍遷至較高的能階。較高能階上的電子則藉由向外界放射出特定頻率的光輻射(光子),躍遷回較低能階。若在激發與放射的過程中能掌握其中若干機制,便能夠產生雷射光。

雷射的發現

雷射(laser)的英文名稱是由描述其動作原理的5個英文字的字首結合而成(light amplification by stimulated emission of radiation),它的含義是「藉著激發放射方式使得光子數目放大」,因此雷射又稱為激光。

雷射的出現可以說是人類科學「知而後行」具體實現的例子。在愛迪生發明燈泡的時代,科學是處於一種「不知而行」的情況,各式各樣的東西都拿來測試,看看是否適合做為燈絲。當裝上鎢絲時,整個愛迪生電力試驗場足足明亮了5分鐘,全試驗場的科學家為之一致歡呼,而在這之前,他們對於鎢絲是否適合做為燈絲並無把握。然而雷射就不同了,在雷射系統尚未問世之前,科學家在理論上就已經預言,技術上可以產生這種高同調光束。

1950年二次世界大戰結束後,微波技術已頗發達,當時選定氨做為微波活性介質,進而發展出鎂射。然而鎂射實用價值較低,各界希望進一步研發能把可見光放大的裝置,終於導致1960年第1部紅寶石脈衝雷射的誕生。

光波與物質的基本作用

雷射是一種光波,要了解雷射,就應先了解光的一些基本現象。光究竟是粒子還是波呢?過去一直困惑著科學家們。18世紀末,馬克斯威爾(Maxwell)提出電磁波理論,認為光是電磁波的一種。他以隨時間交變的電磁場傳播現象說明光的波動性,並由電磁理論推導出光波的波動方程式。

20世紀初,蒲朗克(Plank)、愛因斯坦(Einstein)分別提出光能量量子化與光子的概念,認為電磁波是以能包的形式傳播。所謂的能包就是光子,而一個光子擁有的能量是E=hν,h是蒲朗克常數,ν是光的頻率。於是人們知道了光同時具有粒子性和波動性,即波粒二重性,自此不再爭論光究竟是粒子還是波。例如光的干涉及繞射現象,其波動性較顯著(波長相對長的),就以波動性來解釋。至於光電效應,由於其粒子性較顯著(波長相對短的),便以粒子性來解釋。

在一般情況下原子是處於能量最低的狀態,即所謂的基態。當受到外界激勵時,原子中的電子得到足夠的能量就有可能被激發到能量較高的狀態(激發態)。這些激發態一般是不穩定的,電子在激發態只能停留很短的時間,很快會把多餘的能量釋放出來而回到能量較低的狀態或基態。當這些多餘的能量以光子的形式放射出來時,這個光子的頻率會滿足某些特定條件。量子力學可以進一步計算出原子從一個狀態躍遷到另一個狀態的機率大小,即躍遷機率。前述原子的能量呈現量子化,而這些分立的能量就是原子的能階。

雷射實際上就是利用物質與輻射的相互作用而產生的。所謂物質是指原子或分子,輻射就是光子或電磁波。每一種原子(分子)都有特定的能階,當與電磁波發生交互作用時,會從一能階狀態躍遷到另一能階狀態,其躍遷過程是藉著電磁波的吸收或輻射來達成的。但並非所有的原子能階都可以互相躍遷,少部分能階間的躍遷是受到禁止的,它必須遵守某些選擇規則(selection rule)。

物質中處於較低能階的粒子,可以藉由吸收特定頻率的外界輻射而躍遷至較高的能階上,這種現象稱為受激吸收過程。其所獲得的能量必須恰好是兩能階間的能量差,否則不會吸收。

處於較高能階的粒子,可藉由兩種方式向外界放射特定頻率的光輻射(光子)而躍遷至低能階上。其中一種是不需外界激勵的自發性輻射,另一種是在受到某一特定頻率的入射光作用下放射出一同頻率的光子,這種過程稱為受激放射過程。經入射光照射,每單位時間內參與受激放射的原子數與在激發態的原子數成正比。在熱平衡下,吸收的躍遷速率等於放射的躍遷速率,各能階的原子濃度維持定值。

能產生雷射的激發放射,物質中高能階的原子居量一定要比低能階的原子居量高,這種狀況稱為居量反轉(population reversion)。當高能階的原子同時躍遷回低能階時,會放出強度高且性質相當一致的光子。

雷射武器的發展

雷射武器早已在實戰中應用過,只不過擁有這類武器的國家不想大肆宣揚而已。1982年英國和阿根廷的福島戰爭中,英國就祕密地使用剛剛研製出的雷射眩目瞄準具,照射攻擊英國軍艦的阿根廷飛機。

多年來科學家們先後研製出氣體動力學雷射器、氟化氘化學雷射器、氟化氫化學雷射器、氧化碘化學雷射器、釹玻璃固體雷射器、自由電子雷射器等不同材料與性質的高能量雷射器;發展自調適光學技術,解決高能雷射在大氣中的傳輸問題;研製精確雷射束定向系統,以及研究雷射與靶材的相互作用,在各方面都獲得了大量有用的數據。在雷射射擊實驗中,高能雷射光束曾成功地擊落了飛行的靶機、反坦克導彈、火箭彈等目標。這些研究工作的成功,證明了研製雷射武器的可行性。

目前世界各國正積極地把雷射武器運用於太空、空載、陸(海)基、以及單兵作戰上,部分研究發展已達實際驗證階段,甚至已經進入生產部署階段。主要的武器系統有以下幾種。

天基(太空)雷射 天基雷射武器主要著眼於攔截彈道飛彈。由於彈道飛彈本身結構極為脆弱,因此無法承受高能雷射的照射。部署在太空的高能量化學雷射,足以對飛行於3千公里以上的彈道飛彈投射有效的殺傷能量,加上可有效攔截推升階段的彈道飛彈,因此產生了把天基雷射與國家飛彈防禦相結合的思維,提高了把雷射武器部署在太空中的可能性。

這種武器的設計理念是,把雷射光束傳送至遠方時,仍然足以癱瘓所照射的目標,或有效地燒穿飛彈的表層結構。一直徑10公尺的末級反射聚焦鏡,配上氟化氫雷射,可產生0.32微弧度(「弧度」或「徑度」是角度的單位,一弧度約為57度)的聚焦角,這一角度可在4千公里外產生一面積為1.3平方公尺的雷射光點。

若把兩千萬瓦的能量會聚在這光點上,其能量流通密度大約是每平方公分1,500瓦。具備這種能量的雷射光點必須在目標表面持續照射6.6秒左右,才能產生每平方公分大約1萬焦耳的最低有效殺傷能量。對2千公里外的目標,僅需照射大約1.7秒就足以毀損飛彈的推升器。

天基雷射武器的載臺是低軌道衛星,其運行軌道視威脅的性質而定。雷射武器的位置應盡可能讓它獲取較多的照射機會,以提升摧毀正處於推升階段的飛彈數量至最大數額。因此衛星必須位處適當的高度,使其能夠攔截可見最遠處正處於推升階段的飛彈,而不必在飛彈到達極近的距離後才進行接戰。其最佳的高度依飛彈推升段引擎燃盡的高度、雷射光束的強度,以及飛彈彈體的強度而定。最佳的部署方案,是把衛星置於某些與地球赤道形成大約70度切角的軌道面上。

1997年3月,美國TRW及洛克希德‧馬丁公司攜手完成首次的雷射地面測試,總共歷時0.5秒。1998年3月,TRW及波音公司合作成立團隊,受命規劃天基雷射戰備能量機具的初步設計並定義其規格。原預定在2005至2006年間完成布放,但可能展延至2008年。

天基雷射武器發展的目標,是具備在彈道飛彈上升至同溫層上層,約距地表4萬至5萬公尺高度,以及在太空飛行時加以攔截的能力。這類天基武器運行高度約為1千3百公里,有效殺傷範圍可達4千至5千公里,而一枚雷射衛星最大可單獨涵蓋十分之一的地球表面。因氫氟雷射會被大氣層內的水蒸氣吸收而減損,雷射無法有效穿透至地球表面,這一物理特性可避免衛星背負自太空向地面發射「死光武器」的污名。

空載雷射武器 美國在1970年代籌設的空中雷射實驗室,於1983年停止作業,但其研究已展現空載雷射確已具備攔截空中目標,並可順利轉化為實質武器系統的潛能。當時已發展出功率5萬瓦級、角度數十微徑度的雷射光束,以及精確、安全的雷射控制能力。

基本上,空載雷射飛機由各種不同戰場監偵系統得知敵方發射飛彈時,就可進行攔截。該機機鼻裝有直徑1.5公尺的末級雷射聚焦鏡,其角度能夠旋轉,以便把功率數以十萬瓦計的化學雷射光束照射至飛彈上。

機上的9個紅外線搜索/跟蹤傳感器,可探測360度視場內的導彈尾煙。從機上轉塔發射的跟蹤/照明雷射,照亮導彈助推器頭部,並建立初始跟蹤。緊接著啟動信標/照明器,在導彈燃料艙上標出一個小光點,同時機載波前傳感器感知大氣所造成的波前變化狀況,送至可轉向反射鏡。機載可轉向反射鏡調整後,使殺傷性高能雷射光束發射後能在目標上聚焦,一舉摧毀目標。

空載雷射武器系統於2004年至2008年進行量產,在2005年至2006年間完成首批3架的戰力組合,預定於2007年至2008年達成7架的整體作戰兵力目標。

洛克馬丁公司設計的空載雷射,是採用化學氧化碘雷射,同時配置能把光點聚焦在飛彈表層的突破性透鏡,可從數百公里外把來襲飛彈擊成碎片。未來會持續在北韓等可能成為美國敵對國家的領空附近飛行,目的是偵測、追蹤彈道飛彈,並在飛彈釋出可能載有核生化武器的彈頭前把它擊落。

先進戰術雷射系統 美國陸軍希望能夠發展可供特種部隊使用的空載戰術雷射系統。這種系統是把空載雷射武器使用的同型30萬瓦氧化碘雷射系統,安裝在AC-130武裝運輸機上做為致命性武器,以便擊毀低空反艦導彈、巡航導彈、近程火箭彈等。

系統重量約4千5百公斤到6千8百公斤,地對空射程是1萬公尺,空對空或空對地射程則是2萬公尺,可以在防區外把10公分的激光光點準確地照射在活動目標上。一旦發現目標,在40秒內可對一系列可能的目標進行攻擊。該系統採用封裝熱氣排放系統,美國特種作戰司令部也已提供經費,用於發展相關科技及驗證測試機具。雖然波音公司對這項先進戰術雷射系統的研發已有顯著成果,但美國陸軍尚未決定是否繼續投注資金,完成研究計畫最初設定的目標。

戰術高能雷射武器 鸚鵡螺計畫是美國與以色列兩國間的聯合研究計畫,由美國陸軍太空及飛彈防禦司令部主導,以色列國防研究發展處提供支援。這計畫是針對運用雷射做為戰術防空武器來反制敵方短程火箭的目標進行研究,1996年2月在美國白沙導彈靶場成功擊毀了飛行中的BM-21火箭彈。

戰術高能雷射系統問世後,隨即引發了車載戰術高能雷射系統的發展。2000年6月6日在白沙導彈靶場進行的試驗中,射程15公里的「卡猝殺」火箭彈被雷射武器系統成功地鎖定、跟蹤、摧毀,在實驗中總計擊落了25枚卡猝殺火箭彈。2002年11月初還擊落了依既定彈道飛行的砲彈。

車載戰術高能雷射系統的體積,會比戰術高能雷射系統縮小5至10倍,未來以色列會選用較大型的系統,美國陸軍則會選用較低功率的小型系統。車載戰術高能雷射系統由3部機動車輛組成:整個雷射發射裝置裝在一部車上,另一部則裝設射控雷達,第三部車負責攜帶雷射燃料。

陸基雷射武器 美國政府目前正祕密研發一種威力強大的陸基雷射武器,這種武器可發射集中光束,摧毀在地球軌道上運行的衛星。威力強大的雷射光束可用來摧毀人造衛星,但大氣亂流會分散並減弱雷射光束。

目前美國研發的雷射武器是以光學技術為基礎,運用感應器、電腦與望遠鏡,由人造衛星發射較弱的雷射測量大氣亂流造成的折射角度,藉以修正雷射發射的方向。修正後,自地面發射的雷射光經望遠鏡反射後射往天際,在經過亂流時光束的方向不致偏離目標,強度不至於減弱,從而產生有威力、可摧毀敵方衛星的雷射光。

這項研究極具前瞻性,也有相當的技術挑戰,相關研究工作正在新墨西哥州沙漠中政府現有的「星火」實驗室進行。一名督導數項太空計畫的國防部高官說:「白宮希望我們研發太空防衛措施,首先是必須有能力保護我們在太空軌道上的資產。」但他表示,如經核准,這項研究的實際運用「也要在許多、許多年後才會實現」。

戰鬥機機載雷射武器 機載雷射武器以電力為動力源,而且體積足夠小,適於空軍作戰使用。美國空軍研究實驗室制定的5年目標,是發展100千瓦的固體雷射器。空軍已經確定裝載固體雷射器的第1個可能載台是F-35聯合攻擊戰鬥機。戰鬥機的發動機除了產生推力外,還可以產生巨大的電力,因而是固體雷射器的理想載具。

這種戰鬥機機載雷射器的初型,主要用於致盲臨近的飛彈,特別是熱尋的或光學飛彈,也可以攻擊其他戰鬥機的易損部位,如燃料箱、飛彈、飛行控制系統,以及使飛機不能繼續作戰的部位。空軍研究實驗室與洛克希德‧馬丁公司簽訂了協議,針對F-35戰鬥機安裝雷射武器的可行性進行評估。

單兵雷射武器 單兵用雷射步槍是一種能量較低的雷射裝置,由於外型如同一般常見的單兵武器,因此又稱為雷射槍。這種武器主要由「雷射器」、「激光器」、「擊發器」和「槍托」4大部分組成,特性是體積小、重量輕、射擊時無聲響,殺傷距離約1千5百公尺,主要用於陸戰或反恐行動。戰鬥用雷射武器主要有致盲雷射槍及致僵雷射槍2種。

致盲雷射槍主要用來對付具光、電系統的戰甲砲車、指管通情蒐系統與其操作人員,強烈的光束可使這些武器裝備的電子元件燒毀,並導致操作人員眼睛失明。早在1982年英國和阿根廷的福島戰爭中,英國就祕密使用了剛剛研製出來的「雷射眩暈器」,用於攔截攻擊英國軍艦的阿根廷戰機,導致阿根廷飛行員失明而機毀人亡。美國也曾研製一種稱為「馬刀-203」的雷射武器,這種武器安裝在普通步槍的槍管下,可以發射在3百公尺內使人眼受傷的低能量雷射。

由於這些雷射武器是以人眼為目標,屬於雷射致盲武器,已被1995年通過的〈禁止和限制使用特定常規武器公約〉所禁止。但是,該公約並沒有明確禁止研發和使用暫時使敵方人員眼花的雷射武器。

美國新近研發一種非致命的雷射步槍,可使敵方人員眼花,但不會造成永久性傷害,這種武器稱為人員暫停和刺激反應雷射步槍。雖然這項技術目前還處於樣品階段,投入戰場使用還有待時日,但是美國仍對其運用前景充滿期望。這款雷射步槍的兩個先導型成品,已送到德克薩斯和維吉尼亞的軍事基地接受進一步的檢測。它同時裝配有「眼睛安全距離探測器」,使得對目標距離的感應能夠更加精確,以符合國際公約的規範。

致僵雷射槍外型有長、短兩種,發射由紫外線激光器發出的光束,被擊中者全身肌肉神經會發生抽搐、痙攣,直至僵硬而喪失行動能力。由於身體外部組織的保護,被擊者的心臟等重要器官不會受到影響,因此不會危及生命。但電流超過250毫安後,會干擾被擊者心臟跳動的節律。調節雷射槍的發射波長,「致僵射線」還可以用來破壞微晶片,從而使裝有晶片的機器,包括飛機、坦克、汽車、艦船及其他武器系統失調,喪失戰鬥能力。據報導,這種雷射致僵武器已在實際應用中獲致良好的成效。

嶄新的里程碑

當荷馬讚頌黑法斯托斯(Hephaistos)神為阿基里斯(Achilles)製造武器時,把阿基里斯在戰場上的成功歸因於科技。目前的趨勢是,科技不再單純只是戰士的助力,而是戰士的替代物。科技已經成為「當代戰爭的原動力」,因為它的目標不是解決紛爭,而是改變戰爭的形態。人不再是戰爭的主體,反而是機器使士兵變成多餘,逼使他們提早自戰場撤出。

當電腦繼續提供更快速更周詳的資訊時,人類的行動與生活較以往更屈就於機器,科技越演進,人類就越依賴它。顯然,雷射武器的出現將使得現代戰爭科技邁向另一個嶄新的里程碑。

然而雷射武器除了受尚未突破的科技因素限制之外,道德因素是現階段最大的問題。主張這項議題應基於人道考量,而非基於作戰考量的人士,目前居於上風。換言之,我們必須強調使用武力或使用某種武器,本身就是不恰當或不道德,無論使用者是誰。「停止戰鬥」必須優先於以戰爭手段所獲致的勝利,而決定這一優先順序的並非是武器,而是擁有武器的人類。唯有正義的一方享有明顯的軍事優勢,才可能具有追求和平的力量。
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