于北辰大破LY-1激光炮，此事早在200年前就有解了

摘要：昨天特别逗的一件事来自于于北辰，这位老哥说可以在坦克飞机上装镜子来破解我们的LY-1激光炮。对于这件事，W君给的回复是有可能性，也有合理性，在大的工程原则上是没有错误的。

先说个事情，这几天的文章比较硬核，有泄密之嫌疑，为了缩减影响范围，一些文章只有粉丝可见，不关注是看不到的。

昨天特别逗的一件事来自于于北辰，这位老哥说可以在坦克飞机上装镜子来破解我们的LY-1激光炮。对于这件事，W君给的回复是有可能性，也有合理性，在大的工程原则上是没有错误的。

先解释下为什么他的观点合理：

其实，于北辰一语道出了在很长一段时间内“激光武器不可行”的根本原因，原理上并不复杂，就是几何光学中的一个基本“公理”叫做光路可逆。

1917 年，爱因斯坦在论文《关于辐射的量子理论》中提出了“受激发射（Stimulated Emission）”的理论：当特定频率的光子与激发态原子或分子相互作用时，电子会从高能级跃迁到低能级，并释放出一个与入射光子频率、偏振态和传播方向完全一致的新光子。这样，光场中的光子就会被“复制”并成倍增长。

这一理论最初只是物理学的推演，但在随后的几十年里逐渐被验证和深入研究，最终发展出了一种全新的技术——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射光放大），简称 Laser，即我们今天所说的“激光”。激光器的具体原理和理论咱们是可以单开一篇文章好好讲的。但这件事和今天的话题关联性并不是很大。

1960年美国研制出了第一台激光器，我们在学术研究上也并不落后，中国的第一台激光器在1961年就已经可以工作了。

由于激光（这个词是钱老取名的，之前咱们的叫法叫做“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”……）是光子的频率、偏振状态、方向、相干性完全一致的放大，而且可以做到成百倍甚至成百万倍的放大，是带有天然武器化属性的，于是，从上世纪六十年代开始，世界各国便前赴后继地投入到激光武器的研发中。

按照光学，尤其是几何光学的基本理论，光当然是可以被反射的。如果一个目标表面能够把大部分光能量反射掉，那么激光的沉积效率就会大幅下降。换句话说，同样几兆瓦的激光，真正能烧到装甲上的，可能不到十分之一。更糟的是，若反射条件过于理想，部分激光甚至有机会原路返回，直击发射端，这对激光器本身就是灾难性的威胁。

这正是困扰激光武器发展初期二十余年的瓶颈所在：一边是能量供给的巨大负担，另一边是目标材料的反射与抗烧蚀特性。简单说，打不穿，反倒可能把自己烫伤。于是，从上世纪六十年代到八十年代，激光武器虽然热闹非凡，但基本停留在实验室和试验场，更多是作为“战略忽悠”的噱头而非真正能部署的战斗力。

至于原路返回烧毁我们的激光炮也不是没有可能，只要是利用微结构制造激光角反射器装甲就可以有效的对付激光武器。

在现实生活中的激光应用其实也避免不了这样的现象。这也是为什么W君在开始的那个截图中回复“高反射率材料是无法切割”的主要原因。

当然了，这是“民用科技”，但如果到军事上或者更高尖端的设备上，是如何避免激光器自残的呢？

那么咱们就来复现一下LY-1的关键技术。

首先，一个激光武器本身就用不着那么大的镜面的。而咱们的LY-1激光炮主镜面直径超过了1米。

这里有认知误区，激光武器并不是手电筒，并不是多大的“镜头”就放出多粗的光。

我们在看到的很多演示中看似很粗的光路，实际上是光路上的空气被激光加热所释放出的红外线，以及本身就是红外线的激光被空气中的颗粒散射的结果。

真正的激光武器照射在物体上的光斑实际上很小。

按照光学能量的理论来说越聚光，光线所能传递的能量就越大，杀伤力就越高，因此也就没有必要弄出一米直径的光路。

之所以把镜头（其实是窗口）开得那么大，主要的原因就是在于“能量密度管理”。让激光炮本身不会被自己所发出的激光摧毁。激光炮不是发激光的吗？怎么会被自己的激光摧毁呢？来看一张W君珍藏的资料图片：

这辆坦克的炮管被另一辆坦克射出的炮弹所打穿。按理论上讲坦克炮弹不就是坦克炮所发射出去的吗？坦克炮承受不住一枚坦克炮弹的打击？这里面的一个误区就在于坦克炮本身的能量管理了。坦克炮的炮弹发射药在点燃后产生高压推动炮弹在炮管内前进，当压力达到峰值的时候，炮弹已经在炮管内前进了一大段距离。

这时候，坦克内的那一节炮管内壁共同分担发射药所造成的最大膛压，随着炮弹继续在炮管中前进，更多的炮管内面积分担膛压的压力，而炮弹则积累了能量转化成动能最终飞出炮口。而坦克炮弹再打到坦克炮炮管上的时候情况就不一样了。是在一个极小的接触点集中释放动能。坦克炮的全部动能，全部作用在极小的一块打击区域上。局部应力瞬间超过钢材的屈服极限和断裂极限，于是即便是炮管就会像一层窗户纸一样被打穿，并不会比其他装甲部分好多少。

其实，我们如果把坦克炮的内壁展开，再和坦克炮的口径做对比，我们就会发现，这也是一个压力分担的“能量密度管理”案例。

在高能激光武器的射击中，首先会做一个扩束的操作。将激光器所发出来能量十分集中的激光光束直径扩大。

这个操作确保了激光在器材内部传递是相对低能量不会对传输路径上的部件产生危害，

等到了窗口镜片的时候，再汇聚一下就成为了在一定目标距离上具有致命杀伤力的高能量区域。

这件事和我们小时候用放大镜聚焦太阳光一样，放大镜表面温度很低，但是焦点烫手是一个道理。

不过，先别高兴，如果只有这一点，你还没有真正搞明白激光武器的原理。

在高功率激光器以及特大功率激光器上，虽然我们可以通过扩束的方式降低激光在激光器内部传输的单位密度，但是激光器自己呢？激光器难道不会在扩束前被自己所发出的激光烧毁吗？

激光器内部（尤其是增益介质和谐振腔）必须先承受激光的初始强度。

听到新名词了是吧？咱们先说一下激光的原理：

这是一个早期的红宝石激光器：

结构非常简单，在一根红宝石棒两端精确磨平，其中一端很厚的镀银，让光线可以100%的反射，另一端镀稍微薄一点的银，让光线有90%的反射率，也就是说这一面有10%的光线可以透过。在红宝石棒的外侧环绕了一根氙光管（没错，就是汽车氙气大灯相似的东西），这跟氙光管在点亮的时候可以发出强光。于是，在点亮氙光管的时候，一束激光就从透射端射出来了。

这个结构就是最早期的激光器，它被归纳为原理图的时候就是这样的：

中间就是“增益介质”，两片镜子之间就叫做“谐振腔”，环绕在红宝石棒外面的氙光管就叫做“能量泵浦”。

看这个：

子弹在击发的时候有可能会出现弹壳承受不了内部发射药燃气能量的事故，这时候弹壳就破了。

同样道理，增益介质和谐振腔正是激光武器的核心部位。它们必须在高功率运行时承受住自身放大的光子能量。

如果材料透明度不够、散热不足、损伤阈值太低，就像劣质子弹的弹壳一样，根本支撑不住能量的冲击。结果不是激光打到敌人身上，而是激光先把自己的腔体、窗口片甚至增益棒烧穿。

怎么办？

实际上在大功率激光武器的设计中根本不会考虑光核心元件是不是可以挨上一炮。原因也很简单，因为任何一个激光武器的谐振腔都承受不住那么大的能量冲击。

在实验室挑战极限，谐振腔、晶体、反射镜承受不住内部巨大的能量冲击的事情很常见。但是在军事上这件事就甭想了。太娇贵的武器不符合作战需求。因此大多数的军用激光武器都不会强到把核心元件烧毁的等级，而是会用上“多核心”技术。

实际上会做成这样：

用多个激光源汇聚在同一面主镜上，其实这也不是什么秘密，很多大型高功率光纤激光切割机也是这样搞的。

通常会把十几个甚至几十个激光光源利用光纤汇聚起来，这样单一发光模块的功率可以降低、风险和成本都可控，而最终则是1+1=2的效果。

所以，我们能看到的一个景象就是LY-1是一个巨大的车体上安装了一台小激光炮，其实车体内部会有一个舱室内有大量的激光器分担输出功率需求。甚至可以断言真正的用于打击目标的激光器根本不在那个小小的白色炮塔中。

了解了LY-1的基本信息，那么我们回头再来看一下于北辰“小放厥词”的这件事。

首先，于北辰的话不是完全错误，而是过于停留在教科书级别的几何光学推理。从光学理论上来说，“光路可逆”确实成立，如果目标表面能把激光高效反射回去，那发射端理论上有可能被反噬。

但问题在于“聚焦”这件事就很扯了。一个激光武器目前都会有目标距离探测和校准机制。通常在选定攻击目标后会装订目标的运动和距离信息，调节主镜将焦点汇聚在目标身上。但是经过所谓的光路可逆反射回来的激光本身就被“散焦”了，即使有一部分可以原路返回，其单位面积的毁伤能量也不具备杀伤力。

不过这件事在激光武器发展的初期，英国人的确还是当真的。在上世纪80年代英国开发出一系列的利用激光的激光致盲武器。

激光反射回来让自己的士兵受伤这件事就在英国的设计中不得不提高到一个课题的程度。

于是他们搞了一个齿轮观察镜，和激光发射器同频，高速旋转，确保在发射激光的时候，激光束被护目镜中的齿轮遮挡。

就这件事，在W君年轻的时候还当真过，不过后来琢磨琢磨这不就是借鉴了当年测光速的机械结构吗？

要说啊，菲索转齿轮法测光速都已经是1850年代的事情了，到现在已经快200年了吧。所以说“于北辰大破LY-1激光炮，此事早在200年前就有解了”并不算过分。

其次，真到了工程实践上是怎样的呢？

实际上大多数激光武器都是高频脉冲发射，并不是像很多人想的一样一开激光炮一束激光持续照。

这么做的原因在于：在极短的脉冲时间里，激光可以把瞬时能量推到极高水平，换句话说，哪怕平均功率不变，脉冲峰值功率往往能高出几个数量级。这使得激光在更短的时间窗口内完成能量沉积，大幅提高了毁伤效率。而镜面材料并不是100%的没有吸收率，人类所制造的最光滑反射率最高的镜面莫过于“詹姆斯·韦伯深空望远镜”上那几片了。

它的反射率可以超过 98% 甚至接近 99%。这已经是人类光学制造的巅峰了。但即便如此，仍然有 1% 左右的能量会被吸收。对于天文观测，这点吸收完全可以忽略不计；但对于兆瓦级激光武器，即便是1%的吸收率也会在高频激光脉冲下迅速的被扩大。

任何微小瑕疵都会成为能量汇聚点，在极短时间内温度飙升，材料汽化、形成等离子体，继而发生一种典型现象——激光诱导爆炸（Laser-Induced Explosion）。例如上图，激光照射在铝靶表面；下方六张快照：分别记录了在 20~150 纳秒量级内，材料表面产生的等离子体羽流（plasma plume）快速膨胀过程。