自从1960年人类制造出第一台红宝石激光器之后,激光技术不仅在前沿科学研究方面有着重要的作用,而且开始越来越广泛地应用在人们的生活之中。从半导体激光笔到自动驾驶所用的激光雷达,可以说现代生活离不开激光。同样地,作为一种高能技术,激光自然而然的会被应用在军事上,而且一定会首先在军事方面得到广泛应用。所以,一些激光方面地前沿技术或者进展是在军事科研部门主导下完成的。在冷战中,就有人设想用核爆炸的能量来驱动X射线激光器作为一种定向能武器。核泵浦X射线激光器的目标是将核爆炸释放的大部分能量引导成非常窄的准直光束。然后可以将光束聚焦并摧毁或损坏很远距离的目标,由于X射线在大气中会强烈衰减,所以当时的计划是将激光器部署在太空中,用以在大气层外摧毁拦截敌方的洲际导弹。

核泵浦X射线激光器概念图
核泵浦X射线激光器概念图

1983年,美国提出了星球大战计划,其中有一项就是建立一套导弹防御系统,核泵浦X射线激光器就是当时的一种候选方案。

原理

核泵浦X射线激光器也是一种激光器,其原理与其他激光器没有本质区别。激光这个词的来源是“通过受激辐射光扩大”,这不仅揭示了激光是如何产生的,而且还指出了激光的两个要点,即“受激辐射”与“扩大”。激光的原理来自于爱因斯坦于1917年提出的受激辐射理论。原子是由原子核与电子组成的,电子在原子核内运动时必须处在特定的能级上,在当电子在能级间进行跃迁时可能会吸收或者放出电磁辐射。基于量子力学,光与物质相互作用有三种,分别是自发吸收、自发辐射与受激辐射。

当一束光射向一个原子时,如果该光子的能量与原子的能级差相同,则原子可能吸收这个电子然后跃迁到高能级上。整个系统处于高能级上时并不稳定,在一段时间后可能会自发跃迁回低能级,并以发光的形式释放能量。这是发出的光的方向、相位都是随机的。这个过程就是光的自发吸收与自发辐射过程。一束能量与能级差相同的光入射一个处于高能级的原子,则有可能使得原子迅速从高能级跃迁回低能级,并同时辐射两个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。受激辐射是自发辐射的逆过程。受激辐射输入一个光子会得到两个完全相同的光子。如果能重复受激辐射这个过程,就会得到大量的光子,这样就实现了光的放大。

但是,实现光的放大需要还需要另一个重要条件,即粒子数的反转。在光与物质相互作用中三种相互作用都会发生,在正常的热平衡状态下,处于低能级状态的粒子数要多于高能级的粒子数,这就导致了光吸收效应要大于受激辐射,光的能量不会增强而是会由于被吸收而减弱。只有实现了粒子数的反转,即高能级的粒子数远大于低能级的粒子数,才会实现光放大的效果。为了实现粒子数的反转,需要有外部的能量源把粒子从低能态不断抽运到高能态上,来维持工作物质处于粒子数反转的非平衡态。

结构

激光的原理决定了激光器的结构基本上是大同小异,一般是由工作物质、光学谐振腔与激励抽运系统组成。工作物质为受激辐射提供合适的能级,用以发出特定频率的光。光学谐振腔则是利用光学反射镜使得激光反复经过工作物质,进行多次放大。激励抽运系统则是为激光提供能量与维持粒子数反转的非平衡态。

下面是1987年Nature上的一篇文章所介绍的一种核泵浦X射线激光器结构图。该装置是由于位于中心处的核弹与外围桶状的激光模块组成的。中心是一个120吨的核装置,用作X射线的泵浦源。核装置的外围是由50个2米长的激光模块围绕一个半径1米圆柱体组成“外壳”。每个激光模块则是由大量平行径为0.1毫米的锌丝与填充塑料组成。每根单独的锌丝都是一个激光元件,作为激光器的工作物质,在锌丝的两端还有用于聚束的特殊“透镜”(工作在X光波段,可能通过使用非均匀材料在电离等离子体中产生折射率梯度来实现聚焦)。

激光器结构图
激光器结构图

工作过程

由激光原理可得,激光器辐射出的激光波长与工作物质的能级有关,在实际的常见激光器应用中,为了最大可能保证工作物质中的粒子数反转,通常是采用三能级或者四能级系统。为了获得特定波长的激光,有时还会使用一些晶体的非线性光学效应来实现光的倍频。然而在X射线波段,由于其波长极端,已经到达晶体的晶格常数结构量级,所以一些常规的光学方法并不能适用。而且X射线的能量足够高,需要更大的能级差。一般来说能级越高越不稳定,寿命就越短,生成并维持粒子数反转的难度就越高。所以要产生功率足够高的X射线激光就需要一个功率更高的激励源来实现粒子数的反转。在冷战背景与冷战思维下,最合适的激励源就是一颗核弹了。

工作时,首先要引爆位于激光器中心的核装置,核装置经过链式反应之后会产生大量的能量,以及高速飞行的质子中子原子核。在10-8秒内将会有70%能量以X射线放出。这些能量会将最为工作物质的锌丝完全电离。电离之后由于没有了外面的自由电子,这将使得锌丝变得对X射线“透明”,对X射线的吸收大大减小。同时,完全电离之后会使得锌离子变成类氢离子,可以提供X射线所需要的能级。

在完全电离之后会生成等离子体,这种等离子体会迅速膨胀,直到等离子态的锌丝和周围塑料基质中的电子密度相等。当金属等离子体处于较低的温度和密度但仍处于完全电离的气体形式时,选择金属丝和塑料中的材料比例以在膨胀后提供合适的激光条件。碰撞和辐射复合产生氢激发态(由与锌核结合的单个电子组成的状态)。当等离子体开始冷却并产生类氢离子时,会有大量的粒子处于高激发态上,这些处于高能级的粒子会逐步释放能量并跃迁到低能态。

利用类氢离子的能级结构,以及从等离子体开始的跃迁过程,可以实现粒子数的反转。因为刚开始冷却的原子大部分处于高能态,低能态上的粒子数就没有。在锌的类氢离子能级中,可以发生的可用的最高能量跃迁很可能是 5f ~ 3d,这对应于8A的波长,因此这可能是可以在此类激光器中产生的波长的下限。

锌离子能级图 5f -> 3d容易满足粒子数反转的条件
锌离子能级图 5f -> 3d容易满足粒子数反转的条件

再通过受激辐射回落到低能级之后,此时核爆的激励效果并没有衰减到足够小,一些处于低能态的粒子还是有机会跃迁到高能态上去的,然后继续参与受激辐射过程。由于X射线的反射十分困难,只有在特定的掠入射情况下才会有镜面反射,所以这种激光器与在可见光区域工作的传统激光器不同,并没有光学谐振腔,必须在光子单次通过激光元件时实现激光发射。所以这类激光器的光增益要求要比一般的有谐振腔的激光器要高。

在产生激光之后,还会通过位于激光模块两端的非均匀材料的折射率梯度来进行聚束与瞄准,从而将激光束发射到正确的位置上。这类激光器工作时肯定是脉冲工作方式,因为激励源的能量输出是一个瞬时过程,并不能连续工作。

应用

这类激光器就是以军事应用为目标设计的,而且还需要核弹作为泵浦源,所以应用只能在军事领域。由于在大气层内对X射线有着强烈的吸收,所以这种激光器作为一种定向能武器是无法在大气层内应用的,而且使用时所需引爆的核弹可能会对环境造成不良影响。结合反导的实际需求,这类激光器应该会部署在太空中。在敌方导弹上升段出大气层之后即可发射激光对其进行摧毁。要使用这种激光器的破坏力最大化,三个要素是必不可少的。首先,必须将泵浦功率有效地转换为激光功率;第二,激光束必须高度准直或定向;第三,激光束必须以必要的精度瞄准。

几种不同的导弹攻击模式
几种不同的导弹攻击模式

根据有限的互联网上的资料,美国启动了神剑计划(Project Excalibur)来进行这类激光器的开发与研究。美国曾在1986年与1987进行过地下核试验的测试,测试的结果并不理想,随着冷战的结束与其他可靠的反导技术的成熟,最终该项目在1990年左右被取消。

参考资料

[1]Ritson, D. A weapon for the twenty-first century. Nature 328, 487–490 (1987).
[2]A Review of Nuclear Pumped Lasers and Applications (Asteroid Deflection)
[3]"Project Excalibur." Wikipedia
[4]"Nuclear-Pumped Lasers." Wikipedia
[5]Prelas, Mark, Introduction to Nuclear-Pumped Lasers" Springer International Publishing 2016