美海军利用新型激光器在数秒内击落巡航导弹

skydog

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美海军利用新型激光器在数秒内击落巡航导弹
2011年2月21日 10:34

　　据sify网2011年2月19日报道，美国海军创造激光武器的新世界纪录，其利用新型高精度天基激光器，在数秒的时间内击毁巡航导弹。

　　据福克斯新闻报道，在海军研究局的协调下，科学家持续向原型加速器注入500千伏液体，直到其达到320千伏的极限电压，从而创造了新的世界纪录。

　　自由电子激光器电子枪注入器系统主任表示，“这是一个创新的方法，以前世界上还没有用过这种方法。”

　　当被问及此次试验对海军的意义时，海军研究局项目经理表示，这更快了自由电子激光技术向更新、更强的方向发展。

　　“军方目前使用的多为晶体、玻璃固体激光器，以及利用有毒液体材料的化学激光器。而自由电子激光器不同于以上两种激光器，只需要注入器内部产生的电子。这个过程需要能量的不断循环。换言之，它比现役的舰载武器都更节能，不会降低舰船的航行速度。”他表示。

　　目前，自由电子激光器技术需要将加速器置于足球场大小地下仓库，在一个小型体育馆大小的空间里，还充满了各种管线、导体、电缆。

　　海军目前需要确定如何利用电子束转化成激光射线，以及如何小型化加速器，以装备于驱逐舰。



介绍一下自由电子激光器

自由电子激光器(Free Electron Laser，简称FEL)，顾名思义，是利用自由电子工作的激光器。即发出受激辐射的电子并不束缚在原子内，一般是以高能电子束的形式处于加速器中。它被公认为继同步加速辐射后的第四代光源。本文从同步加速辐射开始，着重介绍其原理，分析自由电子激光相比前几代同步加速辐射的继承和超越，并简要介绍我国在该领域的研究。


同步加速辐射



同步加速辐射是高能电子(或其他带电粒子)束流打入垂直方向的磁场，电子受Lorentz力偏转，沿轨迹的切线方向发出的辐射。省略复杂的物理学分析若干，可以求得单个电子的总辐射功率取决于两个参数：电子束能量和偏转磁场的强度。在现有的加速器水平上，其亮度可以较旋转阳极X射线管的峰值高出10个量级。

对其圆周运动的给定含时问题作Fourier的频域分析，可得其光谱特性。辐射的频谱分布是平滑连续的，如图所示。



除去以上所述的高通量、高亮度以及频谱宽广连续且可以计算的特点外，同步加速辐射还有如下特点：

高偏振性。在轨道平面内为线偏振，在其他平面内为椭圆偏振。一般X光光源没有此性质。
准直性好。辐射集中在轨道平面附近张角为很小的范围内。
脉冲时间结构。光脉冲长度为数十至数百皮秒，光脉冲间隔为纳秒至微秒量级，且非常固定。
超高真空洁净环境，保证了发出的光光谱的纯净性。
光源稳定。

如上述分析，将光从单个的二极磁场的转弯处引出，这就是第一代和第二代同步辐射光源的的结构特点。所不同的是，第一代光源只是寄生在高能加速器上，并非专用；而第二代光源则是专用机器。目前世界上在使用的第一代同步辐射光源约17台，而第二代同步辐射光源有23台之多。北京的正负电子对撞机上寄生的同步辐射光源(BSRF)属于第一代，而合肥的同步加速辐射装置(NSRL)属于第二代。


扭摆器和波荡器

第一二代同步辐射光源的都是平滑的连续谱。这虽然使其可以支持很大光谱范围内的实验，但是在一定意义上也限制了其辐射谱功率输出的极值。扭摆器 (Wiggler)和波荡器(Undulator)等插入元件的引入，可以克服这一问题，使其在特定波长的辐射输出功率进一步提高。



扭摆器和波荡器实际上都是一组N极和S极周期相间的磁铁组成。它们安装在直线段真空盒的上下方。磁场沿z方向的分布呈正弦样式，而电子在上下相间的磁场里，也是作近似正弦曲线的扭摆运动。在每一小段圆周运动中，辐射仍然遵循上一节所述的规律。出光的方向均为z方向。

两者的区别是，扭摆器的磁场较大，但磁铁的周期数比较少。而波荡器的磁场较小，周期长度短，但是磁场的数目很多。

由于扭摆器的周期数不大，而周期又较长，因此从扭摆器产生的同步辐射特性基本上同从二极磁铁出来的辐射特性相同，仍然是光滑的连续谱。扭摆器的作用在于它能够局部的提供更大的磁场，所以辐射波长向短的方向移动，辐射功率也得到增强，同磁铁的周期数N_u成比例。

至于波荡器，它并不用来提高出射光子的特征能量，只是用来提高出射光子的数目。实际上，它应用了干涉原理：波荡器中得到干涉加强的光子，符合干涉加强条件，即要求电子相邻两个转弯的顶点位置，相差为光的波长的的整数倍。因为电子在波荡器中轴向前进速度非常接近光速，所以事实上电子和前向同步辐射的光子z方向上几乎同步运动。考虑到同步辐射的波列实际上有一定的长度，同一个电子在波荡器的不同磁场处发射的光实际上是可以互相干涉的。但是注意不同的电子发出的辐射因为初始相位不统一，故不能发生干涉；即光强正比于电子数N_c。

由于干涉加强只是对特定波长，所以插入波荡器后得到的基本上是单色光。同时，由于电子实际上在周期磁场中x方向振荡的幅度很小，所以其辐射角分布，在水平平面内也有进一步的集中。最重要的是，由于干涉效应，不同周期上产生的光部分相干地叠加在一起，结果使得同步辐射光的亮度成百上千倍的增加。

在设计专用的同步辐射光源上引入上述插入元件，就构成了第三代光源的基本特征，例如我国即将投入使用的上海光源(SSRF)。而随着插入元件的技术成熟，它也被广泛的应用于改进已有的同步辐射光源。例如合肥的同步辐射光源上就引入了扭摆器，将磁场提高到了扭摆器的6T，特征能量由0.517KeV提高到了 2.585KeV，大大提高了性能。


自由电子激光

做了那么多铺垫，终于回到正题——自由电子激光上了。波荡器的引入，虽然应用干涉原理，极大的提高了亮度，但是辐射归根到底还是一种自发辐射。众所周知，受激辐射(就是我们通常所说的激光)相对于自发辐射来说有很多优点。问题是能否把受激辐射和同步加速辐射的原理结合起来。自由电子激光器正是这样一个成功的结合。

通常受激辐射需要的条件是三能级系统。粒子被激发到高能级后很容易跃迁到稍低一些的亚稳态能级，实现与基态粒子数的反转。整体来说，则需要工作媒介、能量泵和光学共振腔三大部件。

而在自由电子激光器内，工作媒介和能量泵的作用都由高能电子束流实现了。电子束自身就是工作媒介，同时从储存环上的高频加速系统中获得能量，维持粒子数翻转的状态。光学共振腔则比较特别。通常的光学共振腔由一面部分反射镜和一面全反射镜组成，将激光约束在其中来回反射穿越工作媒介，而使其得到充分的放大。众所周知，X射线对大部分材料都有很强的穿透效果，而同步加速辐射主要就是利用其光谱的X射线部分。事实上，对于波长小于100nm的远紫外光和X射线，由于没有材料有足够的反射率，光学腔的结构只能放弃。而如果要保留光学腔，则不能输出波长比较短的光。

最简单的自由电子激光装置实际上仅仅是在波荡器中的周期方向上用一束光照射，光波和高能电子束流伴随着传播。照射光的波长等于(实际上要略大于，以保证电子自发辐射损失能量条件下仍能够受激辐射)波荡器在轴向的干涉加强波长。这被称为低增益自由电子激光器。它与波荡器发出的光并没有多大的区别。实际上，同一个电子的辐射，在波荡器上就实现了相干叠加，因为可以将波荡器的头几个磁场周期内发出的光视作外面照进来的光。

如果要进一步增加辐射功率，还可以采取哪些途径？在上一节中中讲到，不同电子的辐射是不能相干叠加的，原因是彼此的初始相位不同。从电动力学的角度来看，可以取定电子到达正弦运动峰值时在远处产生的电磁场作为统一的标准初始相位，则电磁场的相位直接对应于电子的空间分布，即电子在脉冲束团中弥散的分布对应弥散的初始相位。现在希望不同电子的辐射也能相干叠加，这实际上要求电子在束团中有更进一步的集中，要求电子的分布尺度小于辐射光的波长，从而能够在几乎相同的时刻，电子都运动到正弦运动的峰值处。

庆幸的是，这种要电子分布集中的机制实际上可以自然的实现。在上述的光波和高能电子束流伴随传播的条件下，两者之间的能量交换的具体规律非常复杂，必须要数值模拟。但是定性的分析可以得到，电子的能量向光波转移时，电子在波荡器中传播的距离较长；而当光波的能量向电子转移时，电子在波荡器中传播的距离较短。结果是随着光波和电子束流的传播，自然有一个径向速度调制的效应，这个速度调制最终使电子在z方向上集中起来，集中到一个波长的尺度上，这个过程叫作“群聚”。强的相干辐射和电子微束团耦合，进一步又增强了其“群聚”效应。总的表现是随着传播，光强的指数式增长。数值模拟研究这个“群聚”的过程，是当前研究的热点。

在同一个微束团内的电子的辐射是相干的。假设一个微束团内的电子数为N_c，则最终的功率正比于N_c的平方；而在一般的波荡器里最终功率仅正比于N_c。一般N_c为10^6级别，则自由电子激光的功率为相应波荡器功率的10^6倍。

目前综合应用上述机制的最新成果，是自放大自发辐射的自由电子激光器(SASE FEL)。特点是波荡器很长，电子在前面发出的辐射在后面的与电子共同传播的过程中即起到“群聚”调制的作用。其基本概念包括上述的两个干涉：不仅是同一个电子在不同波荡器周期内的辐射的干涉，还有不同电子之间的干涉。其特点总括如下

skydog

自发辐射比电子走得快，电子束总是在后来的辐射的电磁场中；
电磁场增强电子束团中的微团聚；
增强的微团聚的电子放出更强、更相干的自发辐射；
此辐射强度以指数增加最后达到饱和。

美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)正在进行产生1埃波长辐射的自放大自发辐射的原理实验，此项实验已获成功。德国电子同步加速器研究所已提出结合用于粒子物理研究的高能直线正负电子对撞机(TESLA)建造X射线自由电子激光的建议，X射线SASE FEL的峰值亮度预计比第三代同步辐射光源高10个数量级，此项目在德国最近已获批准。

我国在此方面也开展了相当的研究。中国科学院高能所经过8年的努力，已于1993年制成了我国第一台红外自由电子激光装置(BFEL)。当年5月26日，首次实现了受激辐射，输出了激光。同年12月28日实现了饱和振荡，成为亚洲地区研制的近10个红外谱愿的FEL装置中第一个产业激光并实现饱和震荡的装置，使我国成为继美国及西欧之后又一个实现红外FEL饱和震荡的国家。其基本技术参数为：工作波长为5-20微米，脉冲长度4ps，电子束能量 30MeV，电流15-20A，波荡器周期数N_u=50，磁场间隔2cm。

建设中的上海深紫外自由电子激光器(SDUV FEL)，是依赖于上海同步辐射光源(SSRF)的项目。它是利用SSRF的第一级直线注入器，引出部分束流作为电子来源，也属于自放大自发辐射的结构。工作波长为88-500nm(二期)，脉冲长度1ps，电子能量276MeV，电流400A，波荡器周期数N_u=400，磁场间隔2.5cm。

自由电子激光具有一系列已有的普通激光光源无法代替的优点。例如，频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调（美国原“星球大战”计划曾打算用自由电子激光作定向能武器），相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，等等。因此它在科学、军事、国民经济各方面都有重要的应用前景。

最后，值得一提的是，自由电子激光技术和THz辐射波技术有着密切的联系。太赫兹(THz)波是指频率范围在0.1-10THz的电磁波(1THz=10^3GHz)，对应波长约在毫米至十微米量级。
THz 技术在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学、军事科学等方面有其重要的应用。以军事技术为例。利用它制成雷达，可以远程探测、监视军事目标，兼具毫米波的不受灰尘或烟雾的干扰的特点。由于它具有一定的穿透效应，利用来自目标各层次界面反射的THz电磁波的波形和时间差信息，可探知目标内部形貌，从而可以应用于反恐侦查。而且能够探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性。此外目前各种军事目标、武器的雷达隐身主要是针对微波、毫米波波段的隐身，而在尚未充分开发利用的THz波段中几乎未涉及。所以THz雷达有望探测到目前各种军事目标和武器（导弹、飞行器和舰船等），可能成为未来高精度雷达的发展方向。THz技术在军事通信上也有独特的优势。THz波用于通信可获得10GB/s无线传输速度，比当前的超宽带技术快数百至上千倍；与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。
THz 辐射的产生，目前最好的办法就是自由电子激光器。其他有很多方法，但是所能产生的THz辐射要不然功率较小(毫瓦级甚至微瓦级)，要不然频率小于 1THz(如电真空器件)。目前能满足大功率和THz波段的辐射的THz辐射源唯度长波的自由电子激光，可见自由电子激光的意义。

中国勇狼

美国算是世界最强的国家!

skydog

美国算是世界最强的国家!
中国勇狼 发表于 22-2-2011 05:40 PM

    因为他们懂得招揽人才为他们效命咯。

l688

美国是不是得到了外星人科技？？

skydog

美国是不是得到了外星人科技？？
l688 发表于 22-2-2011 06:48 PM

    有时候不要想太多，很多科技我们这里不熟悉是因为他们都是暗地里开发这些武器。这些武器的基本物理与化学知识早就有了，只是我们不知道如何应用罢了。

teck8398

據說之前的激光武器中國是十噸重量﹐用卡車載動﹗

美國的激光武器是五十噸重﹐卡車載動不了。。要用飛機才載的動﹗

而美國的激光武器用了過後會發出強烈的熱量﹐很容易被敵人發現。。

而中國的激光武器就滿神秘的。。據說之前有擊傷過某些國家的衛星。。。

或令美國衛星在幾十分鐘之內都視盲( 失明 )﹗

兩年多之前我在網上也有看見中國用激光攻擊導彈的文章。

真假就不得而知﹗

skydog

據說之前的激光武器中國是十噸重量﹐用卡車載動﹗

美國的激光武器是五十噸重﹐卡車載動不了。。要用飛機 ...
teck8398 发表于 23-2-2011 11:38 AM

对。激光武器在以前是非常巨大的，因为需要很好的冷却系统，以及巨大的能源消耗。但是随着科技进步，体积越来越小，冷却方法也越来越创新，所以现在用在移动性强的舰艇以及战机的时间是越来越接近了。

teck8398

对。激光武器在以前是非常巨大的，因为需要很好的冷却系统，以及巨大的能源消耗。但是随着科技进步，体 ...
skydog 发表于 23-2-2011 01:35 PM

( 舰艇以及战机的时间是越来越接近了 )

是的。。﹗聽說中國已經把激光武器安到坦克上去了。( 美國也有評論家這樣說 )

又說要安到戰機上去。。

但。。看中國四代機J-20不像有激光武器。。或是在機身裡面﹖

就不得而知﹗

skydog

( 舰艇以及战机的时间是越来越接近了 )

是的。。﹗聽說中國已經把激光武器安到坦克上去了。( 美國 ...
teck8398 发表于 23-2-2011 05:24 PM

    如果是坦克的话，我想可能是进距离的攻击激光武器，远距离的我想还不能。

关于安装在战机上，我想中国还需要一些时间才可能到这个地步。他们现在有的武器都是美国能做到的。通常是美国有了后给他们灵感与科技资料，然后才作在自己的军备上。

东方巨茫

如果是坦克的话，我想可能是进距离的攻击激光武器，远距离的我想还不能。

关于安装在战机上， ...
skydog 发表于 23-2-2011 05:39 PM

安装在ZTZ-99式MBT的激光器是用来破坏敌方坦克的光学系统的，或者致盲敌方战斗人员，属于近距离（X公里）。

teck8398

如果是坦克的话，我想可能是进距离的攻击激光武器，远距离的我想还不能。

关于安装在战机上， ...
skydog 发表于 23-2-2011 05:39 PM

( 我想可能是进距离的攻击激光武器 )

我的想法也是這樣。。不過坦克的激光武器要來攻擊什麼用的﹖就不知道了﹗

中國的攻擊衛星激光武器聽說下雨和雲多也是會變弱﹐這就是中國的激光弱點﹗

說到第二種激光技術。。美國也找過中國合作﹐聽說能切幾尺或十尺高的紙張( 我都忘記多高尺的紙張了 )

完全沒問題。。。。

所以我覺得。。美國也很看重中國的激光技術呢﹗

火龙咬梦梦

如果是坦克的话，我想可能是进距离的攻击激光武器，远距离的我想还不能。

关于安装在战机上， ...
skydog 发表于 23-2-2011 05:39 PM

中国的导弹打美国航母，不见得是来自美国的灵感。。。。

skydog

中国的导弹打美国航母，不见得是来自美国的灵感。。。。
火龙咬梦梦 发表于 23-2-2011 11:53 PM

    是common sense.....

skydog

安装在ZTZ-99式MBT的激光器是用来破坏敌方坦克的光学系统的，或者致盲敌方战斗人员，属于近距离（X公里 ...
东方巨茫 发表于 23-2-2011 05:57 PM

    多谢能者赐教。

skydog

( 我想可能是进距离的攻击激光武器 )

我的想法也是這樣。。不過坦克的激光武器要來攻擊什麼用的﹖ ...
teck8398 发表于 23-2-2011 06:44 PM

    #11 楼有答案。

我想有些时候合作是要看别人的底到底有多深。