光纤激光器武器受青睐 稀土元素或成为未来战场上的主角

一架无人机静静地飞过美国新墨西哥州的不毛之地，直到它突然失去控制，坠毁在地。然后，一台狙击炮从发射台升起，并开始瞄准目标。在沙漠地面上，一辆巨型沙色卡车，在发射看不见的红外光束，摧毁一个接一个的目标。

这种高能激光移动验证机(HEL MD)是由航空巨头芝加哥波音公司为美国军方研发的一台激光武器原型。激光武器是现代电子游戏的主要道具之一，数十年来，各类射线枪在科幻小说中十分常见。但现在，它们不再是幻想。波音公司研发的原型只是美国和欧洲近年来研发的诸多类似武器中的一种，而这在很大程度上得益于相对便宜、便携和强劲的激光器的发展。这些激光器能通过光学纤维产生光束。当下的测试表明，激光有足够的能力克服恐怖组织的威胁。

但开发者表示，要全面部署此类武器仍存在挑战，从提高武器功率到克服在雾天和多云天气中使用激光的障碍等。不过，防务和安全专家正开始更严肃地对待激光。在近半个世纪的探索后，美国军方今天正处于部署相关定向能武器的风口浪尖。

功率困境

一直以来，激光武器都让研发者迷醉，在上世纪八九十年代战略防御计划全盛时期尤为如此。激光武器的秘诀在于将能量集中在一个足够小的点，以便加热和毁灭目标，而要做到这些，需要一台能用于战场的紧凑、便携设备。但说远比做容易，其中一个重要的问题就是空气。不仅尘埃和自然湍流会使光束分散，激光走过的通路还会引发“热晕效应”。当光束以极高的能量传播时，空气会吸收激光，加热空气，并导致光束扩散。反过来，这种扩散会削弱激光的能量。

针对于此，科学家研发出了类似天文学家用来观察恒星的自适应光学技术。该技术利用镜面自动扭曲激光束，以削弱湍流的影响，结果类似矫正眼睛畸变的眼镜。随着光束穿越空气，它被清理一新，最终能完美且密集地击中目标。

到2010年，适应光学技术已经能良好地用于机载激光设备，帮助其摧毁飞行中的弹道导弹。但在那时，尺寸问题等后勤方面的困境还是让国防部失去了研发能量武器的热情。2012年年初，该部门彻底取消了机载激光武器项目。同时，国防部在高能激光方面的投入也被削减，从2007年的9.61亿美元到2014年的3.44亿美元。

聚光灯下的光纤

经费并未消失不见：人们的注意力已经转向更经济的光纤激光器。光纤激光器出现于1963年，自上世纪90年代以来，其已经发展为盈余超过预期。尽管其他固体激光器使用刚性杆、晶体平板或磁盘产生光束，但大型光纤激光器要使用能包裹紧凑线圈的薄光学纤维。

这些光纤能从便宜的激光二极管的更明亮版本中收集光能，然后将光能放大，整个电光转换效率能增加30%。这至少能使其他类型的固体及激光器的能效翻倍，接近COIL等化学激光器。而且，光纤本质上较长和薄，因此其表面积和体积比例较大，并能很快地散发余热，这将有助于延长激光器使用寿命和减少维护工作。

上世纪90年代，光纤激光器开始被用于加强运载互联网数据的海底电缆的光信号。到本世纪初，研究人员开始致力于研发用于焊接、钻孔和切割的千瓦特级工业激光器，而这些设备也引发了军事专家的兴趣。激光武器的复兴与图像识别和瞄准系统的发展密不可分。更好地瞄准，能让光束更有效地打击目标的薄弱环节。多亏电脑瞄准，HEL MD能全自动控制。

数字的力量

瞄准和定位技术可能已经整装待发，但能量仍然成问题。一台商业激光器10千瓦特的输出功率处于激光武器能使用的最低端。而且，使用光纤会限制光束的能量和质量，原因之一是光子冲过光纤时会将其迅速加热，并能引发毁坏。为避免这些，研究人员正计划结合数台激光器的输出功率。

实现这一目标的理想方式可能是“相干合成”，每台激光器发出的波能匹配在一起，形成紧密的同步形式。2006年，研究人员又研发出计算机模型，表明数个光纤激光器的非相干合成光束打击目标的有效性与相干合成一样。无论使用哪个方法，“当你准备穿越空气湍流远距离发射时，最终打击目标的光束的功率相同”。2009年，研究小组通过实验证实了这一理论。

在此基础上，美国海军研究局开发出30千瓦特的LaWS。该系统非相干联合了6台商业光纤激光器，目前安装于庞塞号，并已在小型船只和遥控飞机方面进行了试验。

尽管能力目前较弱，但在未来5~10年，光纤激光器武器将在美国军队防御领域占据一席之地。它们可能不会像星球大战中的那样宏大，但它们能拯救生命、保卫安全。

光纤激光器背后的“主角”

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

稀土离子是目前商用及研究最为广泛的一类光纤激光器的核心，它决定着对光泵浦的吸收和激射光谱，稀土元素在化学元素周期表中称为镧系元素，这一类元素有着相同的外层电子结构，从而决定他们有着几乎共同的光学特性。稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且，稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。稀土科技一旦用于军事，必然带来军事科技的跃升。从一定意义上说，美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制，正缘于稀土科技领域的超人一等。

中国是名副其实的世界稀土资源较大的国家之一，已探明的稀土资源量约6588万吨。中国稀土资源不但储量丰富，而且还具有矿种和稀土元素齐全、稀土品位及矿点分布合理等优势，为中国稀土工业的发展奠定了坚实的基础。中国政府十分重视稀土资源，不但设立了专门的法律来保护其得到有效合理的利用，还大力鼓励稀土行业的技术创新。在去年，国储局还与中铝等企业签订了收储协议，预示着稀土收储的正式敲定。作为稀有稀土行业的翘楚，泛亚有色金属交易所紧跟国家政策方向，于2014年10月31日上市氧化镝和氧化铽两个稀土品种，不仅有利于实现其价格与价值的统一，还将发挥为国家战略收储提供重要补充的作用，使得我国稀土在全球稀土游戏规则的制定上，不再处于被动地位。