Химический лазер

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

• Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
• В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
• Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Международное право

В соответствии с «Дополнительным протоколом IV Конвенции о запрещении или ограничении применения конкретных видов обычного оружия, которые могут считаться наносящими чрезмерные повреждения или имеющими неизбирательное действие» (Вена, октябрь ), запрещено использование лазерного оружия, специально предназначенного для использования в боевых действиях исключительно или в том числе для того, чтобы причинить постоянную слепоту органам зрения человека, не использующего оптические приборы.

Данный запрет не распространяется на лазерное оружие, вызывающее временное ослепление. Одним из видов его применения является пресечение преступных действий, направленных против сотрудников МВД и специальных подразделений, выполняющих свои обязанности по защите правопорядка и при захвате правонарушителей. Применение подобного оружия при самообороне обеспечивает малую степень риска для здоровья и жизни обороняющегося.

В декабре 2017 года применение лазерного оружия вызывающего постоянную слепоту признано военным преступлением.

Основные принципы боевого применения

Военные преимущества

Лазерное оружие могло бы иметь несколько основных преимуществ над традиционным оружием:

• Лазерные лучи распространяются со скоростью света, поэтому нет необходимости учитывать движение цели и применять упреждение при стрельбе на расстояния менее 300 тыс. км. Следовательно, уклониться от лазерного «выстрела» в подавляющем большинстве невозможно. В условиях наземного и воздушного боя уклониться от облучения лазерным лучом вообще невозможно.
• На лазерный луч не оказывает влияние гравитация планеты (напр. Земли). (В ближних окрестностях чёрных дыр и др. очень массивных объектов траектория лазерного луча всё же искривляется, правда бои едва ли там будут вестись.)
• Лазер может менять конфигурацию фокусировки на активной области, которая может быть намного меньше или больше по сравнению с размерами поражающего элемента кинетического (напр. огнестрельного) оружия.
• «Боекомплект» лазера зависит только от источника энергии.
• Поскольку свет имеет практически нулевой «импульс энергии» (точнее, отношение импульса фотона к его энергии равно 1c{\displaystyle 1/c}), у лазера нет ощутимой отдачи.
• Диапазон использования лазерного оружия намного превосходит диапазон традиционного (кинетического, баллистического и реактивного) оружия, но зависит от атмосферных условий и мощности источника энергии.

Рассеяние

Лазерный луч вызывает в воздухе плазменный канал при плотности энергии около мегаджоуля на кубический сантиметр. Эффект рассеяния приводит к потере лазером фокуса и рассеянию энергии в атмосфере. Значительное рассеяние наблюдается в тумане, дыме и плазменных облаках.

Высокое энергопотребление

Одна из главных проблем лазерного оружия (как и любого иного оружия направленной энергии) состоит в высоком энергопотреблении.

Отсутствие возможности непрямого огня

В отличие от артиллерийских пушек, способных вести огонь по навесной траектории, то есть «перебрасывать» снаряд через стену, холм и т.д., лазерное оружие не может выполнять подобных задач. Как возможный вариант решения этой проблемы — некий корректор в виде зеркала на летательном или наземном подвижном аппарате

Лёгкий способ противодействия световому излучению

Использование светоотражающих элементов (зеркал) может сделать применение лазера бесполезным. Они смогут без проблем отразить лазерный луч, как любой другой свет, независимо от его мощности.

Технику будет довольно легко оснастить такой зеркальной бронёй. С пехотой могут возникнуть проблемы, что увеличит стоимость производства.

Для полной защиты от вражеского огня придётся сделать зеркала (светоотражающие элементы) неломаемыми или покрыть их слоем брони, который лазер, вероятно, сможет расплавить, но тут же отразится от отражающего слоя.

Цена боевых лазеров

В армии США считают, что к 2025 году нужно определиться, как будет развиваться программа военных лазеров и что именно хочет Пентагон, чтобы к 2035 году воплотить это в реальность. Например, в идеале лазеры должны будут защищать бронемашины от летящих боеприпасов или атаки дронов с любого направления, уничтожать или выводить из строя средства передвижения противника. В грядущие 7 лет армейские лазеры наземного базирования должны доказать, что их можно применять в штатном операционном режиме на поле боя, а не только в ходе экспериментов. Сегодня ожидается, что к 2022 году станет более или менее понятен прогресс в этом вопросе.

Летом этого года в армии США учредят Командование по модернизации, которое будет отвечать за распределение ресурсов на развитие боевых лазеров. До недавнего времени на лазеры Пентагон выделял мизерные по американским меркам суммы. Например, непосредственно на высокоэнергетическое лазерное оружие в 2007 году выделили 961 млн долларов, в 2011 году — всего 414 млн, а в 2014 году — около 344 млн. Но сегодня запросы растут.

ВМС США просят на 2019 год 300 млн долларов на разработку палубных лазеров, Агентство по противоракетной обороне США — 66 млн на установку лазеров на беспилотники, армейцы хотят на свои лазеры на грузовиках и бронемашинах не менее 120 млн, а Lockheed Martin недавно получила контракт на 150 млн на создание лазеров для ВМС.

Так или иначе, научно-технический комитет Пентагона считает: чтобы оставаться конкурентоспособным в электромагнитном пространстве, ежегодно США необходимо тратить дополнительные $2 млрд. Непосредственно на оружие направленной энергии и лазеры необходимо тратить до 1,3 млрд в год, что все равно будет равнозначно примерно половине тех сумм, которые тратились США на разработку лазеров в 1989 году во время падения Берлинской стены.

Но не все оценивают перспективы лазерного оружия оптимистично. У боевых лазеров два основных очевидных преимущества — дешевизна и теоретически неограниченное (в зависимости от мощности энергоустановки) количество «выстрелов». Это может быть эффективно использовано на близких расстояниях против роя дронов или небольших катеров. Эти два фактора способствуют возрождению программ по разработке лазерного оружия.

Китайские дроны-камикадзе

Минусов, впрочем, гораздо больше. Это и полная зависимость от источников питания, времени на зарядку для «выстрела», состояния атмосферы и необходимости находиться в прямой видимости с целью.

В феврале 2014 года в США опросили экспертов по национальной безопасности. Около 20% из них считали, что оружие направленной энергии будет поставлено на вооружение в течение 6-10 лет, 30% – что это произойдет в течение 20 лет. То есть 50% экспертов не ожидали стабильного использования этого оружия в вооруженных силах США в ближайшие десятилетия, несмотря на весь ажиотаж и шумиху в СМИ.

Илья Плеханов, RUPOSTERS

Савченко не получала повесток на допрос по делу Рубана

Принцип действия

В химических лазерах происходит преобразование энергии химической реакции в энергию когерентного электромагнитного излучения (лазерного излучения). Для этого используются реакции, продуктами которых являются частицы в возбуждённых энергетических состояниях. При этом распределение частиц по энергетическим состояниям должно быть инверсным, то есть хотя бы в одном из состояний, обладающих большей энергией, число частиц должно быть выше, чем в одном из состояний с меньшей энергией. Энергетический переход с более высокого энергетического уровня на низкий сопровождается электромагнитным излучением. Скорость химической реакции должна быть выше, чем скорость достижения равновесного распределения по энергетическим уровням, иначе энергия химической реакции будет затрачена на разогрев газовой смеси, а не выделена в виде электромагнитного излучения. Как правило, такие высокие скорости достижимы с участием свободных атомов или радикалов в качестве активных центров. Особое значение имеют реакции, в которых активные центры воспроизводятся (цепные реакции) или размножаются (разветвлённые цепные реакции). На образование некоторого начального числа активных центров (инициирование реакции) необходимо затратить энергию, поэтому чем больше длина цепи, тем большее количество химической энергии может быть преобразовано в лазерное излучение. Особое значение имеет хемолазерная длина цепи, определяемая как отношение скорости роста цепи к скорости релаксации возбуждённых частиц, участвующих в генерации когерентного излучения. Таким образом, для создания эффективного химического лазера необходим процесс, в котором высокая скорость цепной реакции сочетается с длительным временем жизни возбуждённых частиц.

Сократить отставание от России

В августе 2018 года издание Defense News сообщило, что над проектом мобильной лазерной установки работают корпорации Lockheed Martin — Dynetics и Raytheon. Стоимость комплекса HEL составит $10 млн. Правда, функциональные возможности этого оружия должны быть значительно шире, чем указано в заявке Управления космической и противоракетной обороны.

Предполагается, что, помимо беспилотников, лазерная система будет сбивать крылатые ракеты, а также подавлять артиллерийские и миномётные батареи. Заявленная мощность оружия составит 100 киловатт. Испытания лазера планируется начать в 2022 году на полигоне Уайт-Сэндс (штат Нью-Мексико).

Также по теме

«Попытки успокоить общественность»: что может стоять за заявлением США о разработке перехватчиков гиперзвукового оружия

Пентагон изучает альтернативные концепции будущего перехватчика гиперзвуковых вооружений. Об этом заявил глава Агентства по…

Соединённые Штаты проводят эксперименты с боевыми лазерами ещё со времён холодной войны. Считается, что сильным толчком к развитию лазерных технологий в США послужила программа Стратегической оборонной инициативы (СОИ, «Звёздные войны»), которую анонсировал президент США Рональд Рейган в 1983 году. Она предполагала размещение в космосе лазерных установок для перехвата советских ракет.

Согласно информации из открытых источников, Соединённые Штаты активно работают над созданием лазерной пушки, в том числе для нужд авиации и ВМС. В течение нескольких лет на полигонах США проводятся стрельбы из боевого лазера. По данным американского Министерства обороны, испытания проходят успешно, однако в серийное производство ни один образец запущен не был.

В ноябре 2018 года заместитель главы Пентагона по исследованиям и разработкам Майкл Гриффин заявил, что Минобороны намерено увеличить финансирование программ по разработке лазерного оружия. По его словам, «не более нескольких лет отделяют США от создания боевого оружия направленной передачи энергии». 

Между тем российские инженеры достигли существенных результатов в области создания лазерного оружия. 20 февраля Минобороны РФ сообщило, что в войсках завершилось развёртывание наземного боевого лазерного комплекса «Пересвет». В декабре 2019 года он будет принят на боевое дежурство.

На сегодняшний день «Пересвет» является самым мощным и эффективным боевым лазером в мире, заявил в беседе с RT военный эксперт Юрий Кнутов.

«Публичной информации по данному комплексу очень мало. На мой взгляд, его основное предназначение заключается в противовоздушной и противокосмической обороне. «Пересвет» способен поражать все типы ракет и авиационной техники, включая беспилотники. Также он может выводить из строя спутники. Мощность комплекса составляет примерно 1 мегаватт», — сказал Кнутов.

• Лазерный комплекс «Пересвет»

Как полагает эксперт, развёртывание «Пересвета» в войсках позволяет сделать вывод о том, что отечественные боевые лазеры превосходят по своим характеристикам американские образцы. Тем не менее Кнутов не согласен с точкой зрения Суворова, усомнившегося в целесообразности проекта Пентагона по созданию компактной лазерной установки. Он уверен, что подобные разработки способны изменить представление о характере боевых действий, и Вашингтон не собирается играть роль пассивного наблюдателя.

«Преимущества лазерного оружия состоят в том, что его луч невозможно перехватить, а выстрел без учёта стоимости оборудования стоит очень дёшево — как подсчитали американцы, около одного доллара. Естественно, сейчас существует масса нерешённых технических проблем», — сказал Кнутов.

Эксперт отметил, что главная цель США заключается в разработке малогабаритного твердотельного лазера на самоходной платформе. По его словам, американские военные рассчитывают, что пушка будет настолько мощной, что на прохождение луча не будут влиять погодные условия. При этом Кнутов сомневается, что Соединённым Штатам удастся сократить отставание от России в сфере создания лазерного оружия.

По его словам, США доведут мощность лазерного оружия до 100 киловатт в лучшем случае к середине 2020-х годов. Скорее всего, её не хватит для эффективного выполнения боевых задач.

Виды лазерного оружия

• Лазерное оружие, предназначенное для прямого уничтожения целей
• Ослепляющее лазерное оружие
• Лазерное оружие иного действия

Лазерное оружие, предназначенное для прямого уничтожения целей

Лазерное оружие, предназначенное для прямого уничтожения целей, создать довольно проблематично из-за большого количества энергии, необходимого для разрушения элементов конструкции или нарушения работоспособности внутренних радиоэлектронных систем цели.

По этой же причине пока довольно проблематично создать лазерное оружие небольшого размера, например, ручное, в основном из-за больших размеров необходимых элементов питания, изготавливаемых на основе ныне существующих технологий.

В связи с этим, основным направлением современных разработок лазерного оружия, предназначенного для прямого уничтожения целей, являются крупные мобильные и стационарные системы наземного, морского и воздушного базирования.

Ослепляющее лазерное оружие

Более простым является путь создания лазерного оружия, основным предназначением которого является ослепляющее действие на органы зрения личного состава противника, а также на оптические системы наведения или распознавания вооружений и боевой техники, для поражения которых требуется гораздо меньше энергии.

Действие ослепляющего лазерного оружия на живую силу противника достигается за счёт направленного луча лазера красного или зелёного цвета, вызывающего временное ослепление и психологическое воздействие, приводящие к неспособности человека выполнять координированные (осознанные) действия, тем самым снижая его боеспособность и препятствуя его продвижению вперёд.

Яркий свет лазера, развёрнутый в линию и сканирующий по местности, создаёт эффект световой завесы, не позволяя снайперам противника вести прицельную стрельбу, а в ряде случаев и визуальное наблюдение через оптические приборы.

В соответствии с нормами по безопасности Международной электротехнической комиссии, мощность лазерного источника должна находиться между двумя пределами. Верхний предел ограничивает максимальную мощность воздействия, не приводящую к ожогам и необратимым последствиям для глаз (2,5 мВт/см2), нижний предел (менее 1 мВт/см2) определяет мощность, достаточную для достижения временного ослепляющего воздействия.

Для защиты сетчатки глаза от поражения маломощными лазерами на малом расстоянии возможно снабжать лазерные излучатели измерителями расстояния, автоматически снижающими мощность излучения или отключающими излучатель.

(в США и Европе этот класс оружия носит название «dazzler») используются как оружие несмертельного действия.

Лазерное оружие иного действия

Помимо собственно уничтожения целей или ослепления разрабатываются лазерные системы для других видов нелетального воздействия, а также для дистанционного разминирования ().

Одним из самых необычных образцов нелетального лазерного оружия является разработанный для армии США прототип акустической лазерной пушки, при работе которой два различных вида лазеров за счёт дистанционного создания облака плазмы могут оказывать светошумовое воздействие на расстоянии в десятки километров.

Дополнительно, портативные лазеры могут использоваться для подачи сигналов предупреждения, бедствия, как средство обмена информацией, при ведении разведывательных операций, за счёт узконаправленного излучения на больших расстояниях.