Sådan fungerer laservåben

Du har muligvis set dem i "Star Wars, "" Star Trek, "og andre science fiction-film og shows. X-wing-krigerne, dødsstjernen, Millennium Falcon og Enterprise brugte laservåben i store fiktive kampe for at erobre og/eller forsvare universet. Og stjerneskibe er ikke de eneste, der pakker laservarme. Han Solo og andre bar blasteren i "Star Wars". Og kaptajn Kirk og andet Starfleet -personale brugte fasere i "Star Trek". Alle disse våben brugte rettet energi, i form af en laserstråle, at deaktivere eller dræbe en modstander.

Men hvad er fordelene ved at bruge en laser som våben? Er det overhovedet muligt? Kunne du bruge et sådant våben til at bedøve en modstander? Disse spørgsmål bliver behandlet af Air Force Research Laboratory's Directed Energy Directorate. Dette program udvikler højenergilasere, mikrobølgeteknologier og andre futuristiske våbensystemer, som f.eks Luftbåren laser og PHaSR .

Lasere og andre styrede energivåben har mange fordele i forhold til konventionelle projektilvåben som kugler og missiler:

• Våbenets lysudbytter kan rejse med lysets hastighed.
• Våbnene kan målrettes præcist.
• Deres energiproduktion kan kontrolleres-høj effekt til dødelige resultater eller skæring og lav effekt til ikke-dødelige resultater.

Luftvåbnet har allerede udviklet tre våbensystemer, der testes og, i nogle tilfælde, Brugt. Disse systemer inkluderer Airborne Laser (Advanced Tactical Laser), PHaSR og Aktivt afslagssystem . Læs videre for at finde ud af, hvordan lasere og disse våbensystemer fungerer.

Miltbrand skræmmer i New York og Florida for et par år siden understregede behovet for hurtig påvisning af biologiske våben. Forskere har udviklet en ny laserteknik, der kunne detektere miltbrand i realtid. Se hvordan miltbrandlasere og biohazard -teknologi fungerer i denne video fra ScienCentral.

Forskere ved Intel og University of California, Santa Barbara demonstrerede verdens første elektrisk drevne hybrid siliciumlaser, adressering af en af ​​de sidste hindringer for at producere billige, stærkt integrerede silicon fotoniske chips til brug inden i og omkring pc'er, servere og datacentre.

1. Hvordan kan en laser være et våben?
2. Militære lasere
3. Den luftbårne laser
4. Ikke -dødelige og personlige laservåben

Hvordan kan en laser være et våben?

På sit mest grundlæggende, en laser er en lyskilde. For at forstå, hvordan det kan blive et våben, det er nyttigt at tænke på, hvordan det er forskelligt fra lyskilderne, der er omkring dig hver dag. Start med en almindelig glødepære. Pæren sender lysbølger ud i alle retninger. Disse bølger, ligesom bølger i vand, har toppe og trug , eller høj- og lavpunkter. Hvis du kunne se hver lysbølge komme fra en glødepære, du ville se masser af toppe og trug forbi dig på samme tid. Der er også masser af frekvenser , eller farver, lys, der kommer fra en pære, og de kombineres alle til at skabe det, der ligner hvidt lys.

Nu, tænk på en lommelygte. En lommelygts stråle er mere fokuseret end hvad der kommer fra en nøgen pære. Det meste af dets lys bevæger sig i en retning, afhængigt af hvor du peger lommelygten. Der er stadig masser af lysfrekvenser, der kombineres til at skabe hvidt lys, og toppe og trug i de forskellige lysbølger passerer på forskellige tidspunkter.

En laser er endnu mere fokuseret end en lommelygte. Det skaber kun en bølgelængde, eller farve, af lys. Toppene og trugene fra lysbølgerne er også synkroniseret fra top til top og fra bund til trug. Det betyder, at de forskellige bølger ikke forstyrrer hinanden. Dette lys bevæger sig kun i en retning. Lysstrålen kan være tæt fokuseret og forblive det over store afstande. Lasere kan producere lys med enorme kræfter (1, 000 til 1 million gange stærkere end en typisk pære). Forskellige typer lasere kan producere forskellige bølgelængder af lys, fra det infrarøde område gennem de synlige bølgelængder til det ultraviolette område.

Lys er dybest set bevægelig energi. En laser producerer meget intens energi, der kan rejse over meget lange afstande. Derfor kan en laser blive et våben, mens lyset fra en glødepære typisk ikke kan.

At gøre dette, en laser skal producere lys på en ukonventionel måde. "Laser" står for lysforstærkning ved stimuleret stråling . Med andre ord, en laser producerer lys ved at stimulere frigivelsen af fotoner , eller lette partikler. En laser har brug for fire grundlæggende dele for at gøre dette:

• Lasermedium:en kilde til atomer, der ophidses og udsender lys med en bestemt bølgelængde. Mediet kan være en gas, flydende eller fast.
• Energikilde:primer eller pumper atomerne i lasermediet til en ophidset tilstand
• Spejle:et fuldt spejl og et halvsølvet spejl. Spejlene tillader det udsendte lys at hoppe frem og tilbage i lasermediumets hulrum og i sidste ende at undslippe til ydersiden
• Objektiv:de fleste lasere har en slags linse til at fokusere strålen.

Laseprocessen handler om at lagre og frigive energi. En energikilde injicerer energi i lasermediet. Energien ophidser elektroner, som bevæger sig op til højere energiniveauer. Når elektronerne slapper af, de udsender fotoner . Fotonerne bevæger sig frem og tilbage mellem spejlene, spændende andre elektroner, mens de går. Dette giver kraftfulde, fokuseret lys.

Næste, Vi begynder at se på nogle af de lasere, der bruges til militæret.

Militære lasere

Der er mange forskellige typer lasere:

• Solid state lasere har et lasermedium, der er massiv krystal, som rubinlaseren eller neodinium YAG -laseren, som udsender 1,06 mikrometer bølgelængde.
• Gaslasere have et lasermedium, der er en gas eller en kombination af gasser, såsom helium-neon laser eller kuldioxid laser, som udsender 10,6 mikrometer bølgelængder (infrarød).
• Excimer lasere har et lasermedium, der er en kombination af reaktive gasser, som chlor eller fluor, og inaktive gasser, som argon eller krypton. Argonfluoridlaseren udsender ultraviolet lys med 193 nanometer bølgelængder.
• Farvelasere have et lasermedium, der er et fluorescerende farvestof, såsom rhodamin. De kan indstilles til en række bølgelængder inden for et bestemt område. Rhodamin 6G farvelaseren kan indstilles fra 570- til 650-nanometer bølgelængder.
• Carbondioxid lasere bliver undersøgt af militæret, fordi de er kraftfulde infrarøde lasere, der kan bruges til at skære metal.

Der er flere lasere, der i øjeblikket bruges til militære formål. En der undersøges og udvikles er gratis elektronlaser (FEL). I 1970'erne, Stanford -fysiker John Madey opfandt og patenterede FEL, som består af en elektroninjektor, en partikelaccelerator og en magnetisk undulator eller wiggler . Det fungerer sådan:

1. Elektroninjektoren injicerer en puls af frie elektroner i partikelacceleratoren.
2. Partikelacceleratoren accelererer elektronerne til nær lysets hastighed (300, 000 km/s)
3. Elektronerne bevæger sig gennem bølgeren eller wiggler, som er en række magneter med skiftevis nord-syd retning.
4. Inde i wiggler, elektronerne svinger frem og tilbage. Med hver bøjning, de udsender lys med en bestemt bølgelængde.
5. Magneternes afstand i wiggler styrer bølgelængden af ​​udsendt lys. Så, FEL -laseren kan indstilles ved at ændre magnetafstanden.
6. I teorien, FEL kan indstilles fra det infrarøde område til røntgenområdet i det elektromagnetiske spektrum.

FEL'er er blevet brugt til at producere højenergi infrarødt lys og synkrotron røntgenstråler til forskningsformål. FEL var også en laser af interesse for forsvarsministeriets strategiske forsvarsinitiativ (præsident Reagans "Star Wars" -program). For nylig, U.S. Naval Postgraduate School erhvervede Madeys originale FEL udviklet ved Stanford University, at bruge til militær forskning.

I 1977, det amerikanske luftvåben udviklede en kemisk oxygen-jodlaser (COIL). Energikilden til COIL er en kemisk reaktion, og lasermediet er molekylært jod. Sådan fungerer det:atomer, varme og biprodukter, herunder vanddamp og kaliumchlorid.

1. Der opstår en kemisk reaktion mellem klorgas og flydende blanding af hydrogenperoxid og kaliumhydroxid.
2. Den kemiske reaktion producerer enkelt ilt
3. Molekylært jod injiceres i laseren. Singlet oxygen giver energi til at få jodatomerne til at lase og udsende infrarødt lys ved en bølgelængde på 1,3 mikrometer.
4. Laseren kan udsende lys kontinuerligt, eller lyset kan pulses, hvilket øger laserens effektivitet.

COIL -laseren bruges ombord på luftvåbnets luftbårne laser, som vi vil tale om næste gang.

Den luftbårne laser

I Golfkrigen, Saddam Husseins styrker affyrede SCUD -missiler mod Israel og amerikanske baser i Mellemøsten. Patriot -missilforsvarssystemet blev indsat for at beskytte amerikanske interesser. Patriot -missiler kan ødelægge indkommende missiler på deres nedadgående vej, men hvad nu hvis du kunne fange det tidligere og ødelægge missilet under dets boost fase (den opadgående sti nær dens oprindelse)? Det er, hvad det amerikanske luftvåben har Luftbåren laser (ABL) er designet til at gøre - det udvikles af Boeing, Northrup Grumman og Lockheed Martin entreprenører.

ABL er monteret i en modificeret Boeing 747 jumbo jet. Den består af fire lasere, avanceret adaptiv optik, sensorer, og computere til at lokalisere, spore og ødelægge missiler. Det fungerer sådan:

1. Infrarøde sensorer registrerer varmesignaturen på et forstærkende missil og rapporterer oplysninger til en Aktiv sporingslaser .
2. Active Tracking Laser sporer missilet og rapporterer relevant sporingsinformation (afstand, hastighed, højde).
3. Det Tracker Illuminator Laser scanner målet og finder ud af, hvor det er bedst at sigte højenergilaseren.
4. Beacon Illuminator Laser skinner på målet, bestemmer mængden af ​​atmosfærisk turbulens mellem ABL og målet, og videregiver disse oplysninger til det adaptive optiksystem i målmekanismen for højenergilaseren.
5. Adaptive Optics -systemet er lavet af deformerbare spejle, der kompenserer for atmosfærisk turbulens. Tårnet monteret i næsen huser et 1,5 meter teleskop som en del af optiksystemet.
6. COIL -laseren affyrer en megawattstråle mod målet. Strålen forlader ABL gennem det næsemonterede tårn.
7. Den højenergiske laserstråle trænger ind i huden på målmissilet og deaktiverer eller eksploderer den, afhængigt af hvor strålen rammer.

Alle operationer koordineres af computer.

Luftvåbnet tester i øjeblikket ABL og siger, at dens rækkevidde er i størrelsesordenen hundreder af kilometer. ABL vil kræve et mandskab på seks, når det er fuldt operationelt, og de vil bære særlige beskyttelsesbriller for at beskytte deres øjne mod mulige refleksioner af bjælkerne med vanddråber i luften.

Højenergilasere som dem, der er udviklet til ABL, bliver designet og udviklet til brug på land og til søs. Disse lasere ville være lastbil- eller skibsmonterede og i stand til at skyde indkommende missiler ned, artilleri og muligvis fjendtlige fly.

Ikke -dødelige og personlige laservåben

Nu ved vi, at højenergilasere bruges til at skyde missiler ned, men har de ikke -dødelige anvendelser, også? Ja. Faktisk, et sådant system er blevet testet og vil snart være i drift. Det kaldes Aktivt afslagssystem (ADS). ADS er ikke en laser, men en lastbilmonteret højenergiradiofrekvensgenerator og retningsantenne. En generator indeni skaber en 95 GHz millimeter bølge . (Millimeterbølger har bølgelængder på 1 til 10 millimeter og frekvenser på 30 til 300 GHz.) Retningsantennen fokuserer millimeterbølgerne og giver operatøren mulighed for at pege strålen. Millimeterstrålen trænger ind i huden på enhver på vej til en dybde på 1/64 tommer, omkring tykkelsen på tre ark papir. Som en mikrobølgeovn, strålens energi opvarmer vandmolekyler i hudvævet og forårsager en intens brændende fornemmelse. Strålen skader ikke permanent, fordi den ikke trænger særlig langt ind, og når en person bevæger sig ud af strålen, fornemmelsen forsvinder (se Hvordan militære smertebjælker virker).

Antag, at du for en stund kunne bedøve eller distrahere en modstander. Luftvåbnet har udviklet en enhed, der gør netop det - Personalestop- og stimuleringsrespons (PHaSR). PHaSR indeholder to lav-effekt diodelasere, en synlig og en infrarød. Det er omtrent på størrelse med et gevær og kan affyres af en person. Laserlyset distraherer midlertidigt eller "blænder" målpersonen uden at blende ham.

Forsvarsministeriet udvikler også andre optiske distraheringsenheder, der midlertidigt kan forringe et målsyn.

Du behøver ikke at være en sci-fi-fan for at spekulere på, om der er personlige laservåben på markedet for civile. Måske noget som dem, du ser i science fiction -shows? Kan en gennemsnitlig person købe eller bygge en? Et firma kaldet Information Unlimited annoncerer en laserstrålepistol. Efter at have underskrevet en erklæring om farligt udstyr og købt planerne, du kan købe hardware og samle din helt egen laserpistol.

Information Unlimiteds laserstrålepistol er en solid state -laser, der bruger en flashlampe som energiprimer og en neodiniumglasstang som lasermedium. Det fungerer meget som rubinlaseren beskrevet i Sådan fungerer lasere. Det kræver 12 volt jævnstrøm, som kommer fra AA batterier. Det udsender infrarødt lys på 1,06 mikrometer bølgelængde i korte 3 joule pulser for i alt 500 joule energi. Strålen er fokuseret med en kollimerende linse , som retter bjælkerne og gør dem parallelle. Det er klassificeret som en farlig klasse IV -laser, og virksomheden hævder, at det er i stand til at brænde huller i de fleste materialer (infrarøde lasere kan gøre disse ting). Så du vil måske ikke hente en til din 9-åriges fødselsdag.

For at lære mere om laservåben, se på linkene på den næste side.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer lasere
• Hvordan militære smertebjælker vil fungere
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer laserprintere
• Sådan fungerer LASIK
• Sådan fungerer Stealth Bombers
• Sådan fungerer det amerikanske luftvåben
• Sådan fungerer Sci-fi ikke
• Sådan fungerer science fiction -musicals

Flere store links

• Forsvarsministeriet:Joint Non-Lethal Weapons Program
• Phasers:The Weapons of Star Trek
• Populær videnskab:Angreb med lysets hastighed

Kilder

• National Defense Magazine, Directed Energy Weapons lover "Low Cost Per Kill", 2001. http://www.nationaldefensemagazine.org/issues/2001/Sep/Directed-Energy.htm
• US Air Force Kirtland Air Force Base, Direkteret Energidirektorat. http://www.kirtland.af.mil/afrl_de/
• Det amerikanske luftvåben, Kort historie om den luftbårne laser. http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-025.pdf
• Det amerikanske luftvåben, Personal Halting and Stimulation Response (PHaSR). http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-043.pdf
• Ny forsker online, "Amerikansk militær sætter laser PhaSR'er til at bedøve." November 2005. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn8275
• Ny forsker online, Fejende stun guns for at målrette folkemængder, Juni 2004.
• Military.com:Blindhed:PhaSR. http://www.military.com/soldiertech/0, 14632, Soldiertech_PHASR, , 00.html
• Forsvarsministeriet:Joint Non-Lethal Weapons Program. https://www.jnlwp.com/
• IEEE Virtual Museum. "Millimeterbølger." http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/tech.php?id=2345917&lid=1
• Fælles program for ikke-dødelige våben, Faktablad om aktivt afslagssystem. https://www.jnlwp.com/misc/fact_sheets/ADS%20Fact%20Sheet%20-%2015%20Oct%2007%20-%20FINAL.pdf
• POPSCI.com. Angreb med lysets hastighed. http://www.popsci.com/military-aviation-space/article/2006-05/attack-speed-light
• POPSCI.com, Sådan fungerer det:Den flyvende laserkanon. http://www.popsci.com/military-aviation-space/article/2008-03/how-it-works-airborne-laser-cannon
• Lawrence Berkeley Laboratory, Ind i fremtiden med lysets hastighed:The Advanced Photon Science Intitiative. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/APSI.html