Cách hoạt động của vũ khí laser

Mar 31 2008
Vũ khí laser đã được mô tả trong khoa học viễn tưởng trong nhiều năm, nhưng chúng vẫn tồn tại trong đời thực. Quân đội đang tìm cách sử dụng công nghệ laser như thế nào?
Liệu nam thanh niên này có thể sử dụng khẩu súng laze của mình để làm choáng đối thủ? Xem thêm hình ảnh laser.

Bạn có thể đã thấy chúng trong "Chiến tranh giữa các vì sao", "Du hành giữa các vì sao" cũng như các bộ phim và chương trình khoa học viễn tưởng khác. Các máy bay chiến đấu X-wing, Death Star , Millennium Falcon và Enterprise đã sử dụng vũ khí laser trong các trận chiến viễn tưởng vĩ đại để chinh phục và / hoặc bảo vệ vũ trụ. Và các phi thuyền không phải là thứ duy nhất đóng gói nhiệt laze. Han Solo và những người khác đã thực hiện vụ nổ trong "Chiến tranh giữa các vì sao." Và Thuyền trưởng Kirk và các nhân viên Starfleet khác đã sử dụng phasers trong "Star Trek." Tất cả những vũ khí này đều sử dụng năng lượng định hướng, dưới dạng tia laze, để vô hiệu hóa hoặc giết chết đối thủ.

Nhưng lợi ích của việc sử dụng tia laser làm vũ khí là gì? Nó thậm chí có thể? Bạn có thể sử dụng một vũ khí như vậy để làm choáng đối thủ? Những câu hỏi này đang được giải quyết bởi Ban Giám đốc Năng lượng Trực tiếp của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân . Chương trình này đang phát triển laser năng lượng cao, công nghệ vi sóng và các hệ thống vũ khí tương lai khác, chẳng hạn như Laser trong không khí và PHaSR .

Tia laze và các loại vũ khí năng lượng định hướng khác có nhiều ưu điểm hơn so với các loại vũ khí bắn đạn thông thường như đạn và tên lửa:

  • Đầu ra ánh sáng của vũ khí có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng.
  • Các vũ khí có thể được nhắm mục tiêu chính xác.
  • Sản lượng năng lượng của chúng có thể được kiểm soát - công suất cao cho các kết quả gây chết người hoặc cắt và công suất thấp cho các kết quả không gây chết người.  

Không quân đã phát triển ba hệ thống vũ khí đang được thử nghiệm và trong một số trường hợp, đã được sử dụng. Các hệ thống này bao gồm Laser trong không khí (Laser chiến thuật nâng cao), PHaSR và Hệ thống từ chối chủ động . Đọc tiếp để tìm hiểu cách hoạt động của tia laser và các hệ thống vũ khí này.

­

Thư viện video: Laser

Bệnh than kinh hoàng ở New York và Florida vài năm trước nhấn mạnh nhu cầu phát hiện vũ khí sinh học nhanh chóng. Các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật laser mới có thể phát hiện bệnh than trong thời gian thực. Xem cách hoạt động của laser bệnh than và công nghệ nguy hiểm sinh học trong video này từ ScienCentral.

Các nhà nghiên cứu tại Intel và Đại học California, Santa Barbara đã trình diễn laser silicon lai điều khiển bằng điện đầu tiên trên thế giới, giải quyết một trong những trở ngại cuối cùng trong việc sản xuất chip quang tử silicon tích hợp cao, chi phí thấp để sử dụng bên trong và xung quanh PC, máy chủ và trung tâm dữ liệu.

Nội dung
  1. Làm thế nào một tia laser có thể là một vũ khí?
  2. Laser quân sự
  3. Tia laser trong không khí
  4. Vũ khí laser phi sát thương và cá nhân

Làm thế nào một tia laser có thể là một vũ khí?

Máy cắt công nghiệp này sử dụng tia laser để hoàn thành công việc.

Về cơ bản, tia laser là một nguồn sáng . Để hiểu cách nó có thể trở thành một vũ khí, sẽ hữu ích nếu bạn nghĩ xem nó khác với các nguồn sáng xung quanh bạn hàng ngày như thế nào. Bắt đầu với một bóng đèn sợi đốt thông thường . Bóng đèn truyền sóng ánh sáng ra mọi hướng. Những sóng này, giống như sóng trong nước, có đỉnhđáy , hoặc điểm cao và điểm thấp. Nếu bạn có thể nhìn thấy từng sóng ánh sáng phát ra từ bóng đèn sợi đốt, bạn sẽ thấy nhiều đỉnh và đáy đi qua bạn cùng một lúc. Cũng có rất nhiều tần số hoặc màu sắc của ánh sáng phát ra từ bóng đèn và tất cả chúng kết hợp với nhau để tạo ra ánh sáng trông giống như ánh sáng trắng.

Bây giờ, hãy nghĩ đến một chiếc đèn pin. Chùm sáng của đèn pin tập trung hơn những gì phát ra từ bóng đèn trần. Hầu hết ánh sáng của nó truyền theo một hướng, tùy thuộc vào vị trí bạn chiếu đèn pin. Vẫn còn rất nhiều tần số ánh sáng kết hợp để tạo ra ánh sáng trắng, và các đỉnh và đáy của các sóng ánh sáng khác nhau đi qua vào những thời điểm khác nhau.

Tia laser thậm chí còn tập trung hơn đèn pin. Nó chỉ tạo ra một bước sóng hoặc màu sắc của ánh sáng. Các đỉnh và đáy của sóng ánh sáng cũng được đồng bộ hóa từ đỉnh đến đỉnh và đáy đến đáy. Điều này có nghĩa là các sóng khác nhau không giao thoa với nhau. Ánh sáng này chỉ truyền theo một hướng. Chùm sáng có thể được hội tụ chặt chẽ và duy trì ở khoảng cách rất xa. Tia laser có thể tạo ra ánh sáng có công suất cực lớn (mạnh hơn bóng đèn thông thường từ 1.000 đến 1 triệu lần). Nhiều loại laser khác nhau có thể tạo ra các bước sóng ánh sáng khác nhau, từ dải hồng ngoại qua các bước sóng nhìn thấy được cho đến dải tử ngoại.

Về cơ bản, ánh sáng là năng lượng chuyển động. Tia laser tạo ra năng lượng rất mạnh có thể truyền đi trong khoảng cách rất xa. Đó là lý do tại sao tia laser có thể trở thành vũ khí trong khi ánh sáng từ bóng đèn sợi đốt thường không thể.

Để làm được điều này, tia laser phải tạo ra ánh sáng theo một cách khác thường. "Laser" là viết tắt của sự khuếch đại ánh sáng bằng cách phát ra bức xạ kích thích . Nói cách khác, tia laser tạo ra ánh sáng bằng cách kích thích giải phóng các photon , hay các hạt ánh sáng. Một tia laser cần bốn bộ phận cơ bản để thực hiện điều này:

  • Môi trường lót: một nguồn nguyên tử bị kích thích và phát ra ánh sáng có bước sóng xác định. Môi trường có thể là chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn.
  • Nguồn năng lượng: các số nguyên tố hoặc bơm các nguyên tử trong môi trường lase sang trạng thái kích thích
  • Gương soi: gương soi toàn phần và gương soi nửa tráng bạc. Các tấm gương cho phép ánh sáng phát ra dội lại trong khoang chứa môi chất và cuối cùng thoát ra bên ngoài
  • Thấu kính: hầu hết các tia laser đều có một số loại thấu kính để hội tụ chùm tia.

Quá trình chế tạo là tất cả về việc lưu trữ và giải phóng năng lượng. Một nguồn năng lượng truyền năng lượng vào môi trường lase. Năng lượng kích thích các electron di chuyển lên các mức năng lượng cao hơn. Khi các electron giãn ra, chúng phát ra các photon . Các photon di chuyển qua lại giữa các gương, kích thích các electron khác khi chúng di chuyển. Điều này tạo ra ánh sáng tập trung, mạnh mẽ.

Tiếp theo, chúng ta sẽ bắt đầu xem xét một số loại laser đang được sử dụng cho quân đội.

Laser quân sự

Hình minh họa của một tia laser điện tử tự do. Một chùm electron được gửi qua một bộ giả - một dãy nam châm với các cực bắc và nam xen kẽ. Từ trường trong bộ nhấp nháy buộc từng chùm electron dao động qua lại, khiến chúng phát ra chùm ánh sáng giống như tia laze.

Có nhiều loại laser khác nhau :

  • Laser trạng thái rắn có môi trường tạo ánh sáng là tinh thể rắn, giống như laser ruby ​​hoặc laser neodinium YAG, phát ra bước sóng 1,06 micromet.
  • Laser khí có môi trường tạo ánh sáng là khí hoặc sự kết hợp của khí, chẳng hạn như laser heli-neon hoặc laser carbon dioxide, phát ra bước sóng 10,6 micromet (tia hồng ngoại).
  • Laser Excimer có môi trường tạo ánh sáng là sự kết hợp của các khí phản ứng, như clo hoặc flo, và các khí trơ, như argon hoặc krypton. Laser argon florua phát ra tia cực tím có bước sóng 193 nanomet.
  • Laser nhuộm có môi trường tạo ánh sáng là thuốc nhuộm huỳnh quang, chẳng hạn như rhodamine. Chúng có thể được điều chỉnh theo nhiều bước sóng trong một phạm vi nhất định. Laser nhuộm rhodamine 6G có thể được điều chỉnh từ bước sóng 570- đến 650 nanomet.
  • Laser carbon dioxide đang được quân đội khám phá vì chúng là tia laser hồng ngoại mạnh có thể được sử dụng để cắt kim loại.

Có một số tia laser hiện đang được sử dụng cho các mục đích quân sự. Một loại đang được nghiên cứu và phát triển là laser electron tự do (FEL). Vào những năm 1970, nhà vật lý John Madey của Stanford đã phát minh và cấp bằng sáng chế cho FEL, bao gồm một kim phun điện tử, một máy gia tốc hạt và một bộ đảo sóng hoặc bộ lắc từ tính . Nó hoạt động như thế này:

  1. Kim phun điện tử đưa một xung điện tử tự do vào máy gia tốc hạt.
  2. Máy gia tốc hạt tăng tốc các electron đến gần tốc độ ánh sáng (300.000 km / s)
  3. Các điện tử di chuyển qua bộ giả hoặc bộ lắc, là một loạt các nam châm có hướng bắc nam xen kẽ.
  4. Bên trong wiggler, các electron dao động qua lại. Với mỗi lần uốn cong, chúng phát ra ánh sáng có bước sóng cụ thể.
  5. Khoảng cách của các nam châm trong wiggler kiểm soát bước sóng của ánh sáng phát ra. Vì vậy, laser FEL có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng cách nam châm.
  6. Về lý thuyết, FEL có thể được điều chỉnh từ vùng hồng ngoại sang vùng tia X của phổ điện từ.

FEL đã được sử dụng để tạo ra ánh sáng hồng ngoại năng lượng cao và tia X đồng bộ hóa cho các mục đích nghiên cứu. FEL cũng là tia laser được quan tâm cho Sáng kiến ​​Phòng thủ Chiến lược của Bộ Quốc phòng (chương trình "Chiến tranh giữa các vì sao" của Tổng thống Reagan). Gần đây, Trường Sau đại học Hải quân Hoa Kỳ đã mua lại FEL ban đầu của Madey được phát triển tại Đại học Stanford, để sử dụng cho nghiên cứu quân sự.

In 1977, the U.S. Air Force developed a chemical oxygen-iodine laser (COIL). The energy source for the COIL is a chemical reaction, and the lasing medium is molecular iodine. Here's how it works: atoms , heat and byproducts, including water vapor and potassium chloride.

  1. A chemical reaction occurs between chlorine gas and liquid mixture of hydrogen peroxide and potassium hydroxide.
  2. The chemical reaction produces single oxygen
  3. Molecular iodine gets injected into the laser. The singlet oxygen provides the energy to get the iodine atoms to lase and emit infrared light at a wavelength of 1.3 micrometers.
  4. The laser can emit light continuously or the light can be pulsed, which increases the efficiency of the laser.

The COIL laser is used aboard the Air Force 's Airborne Laser, which we'll talk about next.

The Airborne Laser

Air Force's Airborne Laser is an aircraft equipped with a chemical laser. It's designed to shoot down missiles in early flight.

In the Gulf War, Saddam Hussein's forces fired SCUD missiles at Israel and U.S. bases in the Middle East. The Patriot missile defense system was deployed to protect American interests. Patriot missiles can destroy incoming missiles on their downward path, but what if you could catch it earlier and destroy the missile during its boost phase (the upward path near its origin)? That's what the U.S. Air Force 's Airborne Laser (ABL) is designed to do -- it's being developed by Boeing, Northrup Grumman and Lockheed Martin contractors.

The ABL is mounted in a modified Boeing 747 jumbo jet. It consists of four lasers , advanced adaptive optics, sensors, and computers to locate, track and destroy missiles. It works like this:

  1. Infrared sensors detect the heat signature of a boosting missile and report information to an Active Tracking Laser.
  2. The Active Tracking Laser tracks the missile and reports relevant tracking information (distance, speed, altitude).
  3. The Tracker Illuminator Laser scans the target and figures out where best to aim the high-energy laser.
  4. The Beacon Illuminator Laser shines on the target, determines the amount of atmospheric turbulence between the ABL and the target, and relays this information to the adaptive optics system in the aiming mechanism of the high-energy laser.
  5. The Adaptive Optics system is made of deformable mirrors that compensate for atmospheric turbulence. The turret mounted in the nose houses a 1.5-meter telescope as part of the optics system.
  6. The COIL laser fires a megawatt beam at the target. The beam exits the ABL through the nose-mounted turret.
  7. The high-energy laser beam penetrates the skin of the target missile and disables or explodes it, depending upon where the beam strikes.

All of the operations are coordinated by computer.

The Air Force is currently testing the ABL and says that its range is in the order of hundreds of kilometers. The ABL will require a crew of six when it is fully operational, and they'll wear special safety goggles to protect their eyes from possible reflections of the beams by water droplets in the air.

High-energy lasers like those developed for the ABL are being designed and developed for use on land and at sea. These lasers would be truck- or ship-mounted and capable of shooting down incoming missiles, artillery shells and possibly enemy aircraft.

Nonlethal and Personal Laser Weapons

The Active Denial System directs millimeter radio frequencies at a target and causes an intense burning sensation.

Now we know that high-energy lasers are used to shoot down missiles, but do they have nonlethal uses, too? Yes. In fact, one such system has been tested and will soon be operational. It's called the Active Denial System (ADS). The ADS isn't a laser, but a truck-mounted high-energy radio frequency generator and directional antenna. A generator inside creates a 95 GHz millimeter wave. (Millimeter waves have wavelengths of 1 to 10 millimeters and frequencies of 30 to 300 GHz.) The directional antenna focuses the millimeter waves and allows the operator to point the beam. The millimeter beam penetrates the skin of anyone in its path to a depth of 1/64th of an inch, about the thickness of three sheets of paper. Like a microwave oven, năng lượng của chùm tia làm nóng các phân tử nước trong mô da và gây ra cảm giác bỏng rát dữ dội. Chùm tia không gây thương tích vĩnh viễn vì nó không xuyên qua rất xa, và khi một người di chuyển ra khỏi chùm tia, cảm giác đó sẽ biến mất (xem Cách hoạt động của chùm tia đau trong quân sự ).

Giả sử bạn có thể làm đối phương bị choáng hoặc mất tập trung trong giây lát. Lực lượng Không quân đã phát triển một thiết bị sẽ làm được điều đó - Phản ứng kích thích và tạm dừng nhân viên (PHaSR). PHaSR kết hợp hai laser diode công suất thấp, một tia nhìn thấy được và một tia hồng ngoại. Nó có kích thước bằng một khẩu súng trường và có thể được bắn bởi một cá nhân. Ánh sáng laser tạm thời đánh lạc hướng hoặc làm "lóa mắt" người mục tiêu mà không làm chói mắt người đó.

Bộ Quốc phòng cũng đang phát triển các thiết bị đánh lạc hướng quang học khác có thể tạm thời làm giảm tầm nhìn của mục tiêu.

Bạn không cần phải là một người hâm mộ khoa học viễn tưởng để tự hỏi liệu có bất kỳ vũ khí laser cá nhân nào trên thị trường dành cho dân thường hay không. Có thể một cái gì đó giống như những gì bạn thấy trong các chương trình khoa học viễn tưởng? Một người bình thường có thể mua hoặc xây dựng một cái? Một công ty có tên là Information Unlimited quảng cáo súng bắn tia laze. Sau khi ký vào bản tuyên thệ thiết bị nguy hiểm và mua các gói, bạn có thể mua phần cứng và lắp ráp súng laser của riêng mình.

Phản ứng kích thích và tạm dừng nhân viên (PHaSR) là một hệ thống vũ khí laser cỡ súng trường sử dụng hai bước sóng laser không sát thương để ngăn chặn kẻ thù.

Thông tin Súng bắn tia laze của Unlimited là một loại laze trạng thái rắn sử dụng đèn nháy làm mồi năng lượng và một thanh thủy tinh neodinium làm phương tiện dẫn đường. Nó hoạt động giống như tia laser hồng ngọc được mô tả trong How Lasers Work. Nó yêu cầu nguồn điện một chiều 12 vôn, lấy từ pin AA . Nó phát ra ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 1,06 micromet trong các xung ngắn 3 jun cho tổng năng lượng là 500 jun. Chùm tia được hội tụ bằng một thấu kính chuẩn trực , làm thẳng các chùm tia và làm cho chúng song song. Nó được phân loại là loại laser nguy hiểm cấp IV và công ty tuyên bố rằng nó có khả năng đốt các lỗ trên hầu hết các vật liệu (tia laser hồng ngoại có thể làm được những điều này). Vì vậy, bạn có thể không muốn chọn một chiếc cho sinh nhật 9 tuổi của mình.

Để tìm hiểu thêm về vũ khí laser, hãy xem các liên kết trên trang tiếp theo.

Nhiều thông tin hơn

Những bài viết liên quan

  • Cách hoạt động của Laser
  • Các tia đau quân sự sẽ hoạt động như thế nào
  • Nguyên tử hoạt động như thế nào
  • Cách thức hoạt động của ánh sáng
  • Cách máy in Laser hoạt động
  • Cách thức hoạt động của LASIK
  • Cách máy bay ném bom tàng hình hoạt động
  • Cách hoạt động của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ
  • Khoa học viễn tưởng không hoạt động như thế nào
  • Cách hoạt động của nhạc kịch khoa học viễn tưởng

Các liên kết tuyệt vời hơn

  • Bộ Quốc phòng: Chương trình vũ khí phi sát thương chung
  • Phasers: Vũ khí của Star Trek
  • Khoa học đại chúng: Tấn công với tốc độ ánh sáng

Nguồn

  • Tạp chí Quốc phòng, Lời hứa về vũ khí năng lượng được hướng dẫn "Chi phí thấp cho mỗi lần giết", 2001. http://www.nationaldefensemagazine.org/issues/2001/Sep/Diirect-Energy.htm
  • Căn cứ Không quân Kirtland của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, Tổng cục Năng lượng Chỉ đạo. http://www.kirtland.af.mil/afrl_de/
  • Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, Lược sử về Laser trên không. http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-025.pdf
  • Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, Phản ứng Ngừng Cá nhân và Kích thích (PHaSR). http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-043.pdf
  • New Scientist trực tuyến, "Quân đội Hoa Kỳ đặt các PhaSR laser để gây choáng váng." Tháng 11 năm 2005. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn8275
  • New Scientist trực tuyến, Quét súng gây choáng để nhắm vào đám đông, tháng 6 năm 2004.
  • Military.com: Sự mù quáng: PhaSR. http://www.military.com/soldiertech/0,14632,Soldiertech_PHASR,00.html
  • Bộ Quốc phòng: Chương trình chung về vũ khí phi sát thương. https://www.jnlwp.com/
  • Bảo tàng ảo IEEE. "Sóng Milimet." http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/tech.php?id=2345917&lid=1
  • Chương trình chung về vũ khí không gây chết người, Tờ thông tin về hệ thống từ chối chủ động. https://www.jnlwp.com/misc/fact_sheets/ADS%20Fact%20Sheet%20-%2015%20Oct%2007%20-%20FINAL.pdf
  • POPSCI.com. Tấn công với tốc độ ánh sáng. http://www.popsci.com/military-afining-space/article/2006-05/attack-speed-light
  • POPSCI.com, Cách hoạt động: Pháo Laser bay. http://www.popsci.com/military-afining-space/article/2008-03/how-it-works-airborne-laser-cannon
  • Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley, Tiến vào tương lai với tốc độ ánh sáng: Khoa học tiên tiến về Photon. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/APSI.html