科學科普視頻集合 “鐵束”（Iron Beam）這樣的激光武器是如何工作的?

在這段視頻中,我們將探討像鐵樹這樣的激光武器是如何工作的。 鐵樹是由拉斐爾先進防禦系統公司製造的一種定向能武器防空系統, 旨在摧毀短程火箭、火炮迫擊炮彈、炸彈和無人機。 鐵樹並不是鐵木的替代品,實際上,它是一種成本更低、戰鬥力更強的武器, 同樣由作戰管理中心和雷達系統控制。 如果鐵木使用導彈,那麼鐵樹則使用功率達100千瓦的激光束, 所以融化目標的金屬部件。 激光武器是一種定向能武器,使用激光束造成傷害。 中國、俄羅斯、英國和美國等不同國家已經制造出了激光武器, 但在這段視頻中,我們將以鐵樹爲例,因爲它們屬於同一類型。 首先,我們來看看激光是如何工作的。 激光有多種類型,如氣體激光、固體激光、光纖激光用於鐵樹、 液體激光和半導體激光,它們只在所使用的介質或材料上有所不同, 但工作原理是相同的,基本上激光就是一種被放大的光。 爲了理解激光的工作原理,我們先來看看激光與家中普通燈泡的光束性質對比。 首先,激光的光束非常筆直、狹窄且只有一個方向, 而燈泡的光束則有不同的方向。 其次,激光只有一種顏色,因爲其波長是均勻的, 但燈泡有不同的顏色,因爲光的波長不同。 接下來,我們來看看激光的工作原理。 爲了易於理解,我們會簡化解釋。 如果你想要更復雜的解釋,請在評論區留言。 激光的工作原理始於我們稱之爲原子的東西。 我們用入眼看不到原子,需要特殊設備才能看到。 如果你不知道,包括你在內的所有人、事物和動物都是由原子構成的。 作爲參考,一個體重70公斤的人估計有700萬億億億個原子。 原子由電子圍繞原子核旋轉而成。 就像這樣,也許你在學習時已經見過類似的東西。 我們將只關注一個原子。 首先,電子有兩種狀態。 就像人一樣,有激發態,當受到如光子或光等能量的撞擊時,和激態當失去能量並回落時。 很簡單對吧,有能量時是激發態,沒有能量時是激態。 電子釋放光子就是我們所說的發射。 但電子的激發不會自然發生,我們需要啓動它。 在光纖激光的情況下,它使用廉價的二極管激光器,䨻浦光子來激發電子。 現在請記住,有很多原子,因此也有很多電子在受到激發。 當電子釋放光子時,它會在完全回落之前撞擊一個已經處於激發態的電子。 因此不是隻有一個原子發射一個光子,而是會從它那裏發射出兩個光子。 然後,發射出的光子會撞擊其他電子,光子的數量會增加。 這就是我們現在所說的受激輻射。 但我們需要很多光子,這就是爲什麼激光的兩端都有鏡子。 這樣光子就可以來回反彈,再次撞擊電子以產生更多的光子。 但另一端的鏡子被設計成不反射所有光子,因爲它不完全反射光子,其他光子會從這裏通過。 由於這些光子具有相同的波長,它們看起來就像一條直線,朝着同一個方向前進。 而這些出來的光子,就是我們現在所說的激光束。 這束光現在將被用來擊中敵方的火箭、迫擊炮、火炮和無人機。 雖然我們沒有找到關於鐵束光纖激光設計的參考來源, 但這是光纖激光的典型設置,很可能用於鐵束。 它有光子源,即激光二極管泵浦和束器,摻雜光纖。 由外層護套包層或覆蓋層,由光纖與稀土元素摻雜的纖芯組成。 這些稀土元素作爲介質或燃料,兩端有布拉格光柵或相鄰的鏡子反射光子,然後激光束從這裏出來。 所以基本上,激光是一種裝置,其中的原子被激發以發射,具有相同波長的光。 並且這種光被放大以產生狹窄的輻射束。 就像這樣,很酷對吧? 讓我們感謝阿爾伯特·愛因斯坦,因爲他提出的理論最終導致了激光的發明。 現在,鐵束的工作原理是這樣的,就像鐵幕一樣,它始於探測。 這個雷達從電池中探測到來襲的火箭和其他敵方目標,並向指揮和控制中心傳輸有關火箭飛行路徑的信息。 接下來是預測,這是控制中心計算敵方火箭可能墜落位置的過程,並檢查敵方火箭是否會擊中人口密集區或建築物。 然後是評估,當計算顯示敵方火箭將擊中許多人或建築物時,鐵幕將使用雷達瞄準它。 如果敵方的火箭未擊中大量人員或建築物,那它將不再被視爲打擊目標,而是任其飛行以節省能量。 最後的攔截手段是使用鐵束激光武器系統將奉命對其射程內的目標進行射擊,射程爲7公里。 當然,當目標距離更遠時,鐵幕防空系統仍將被使用。 當目標是火箭時,激光將瞄準其翼片、舵面或彈頭。 當目標是無人機時,將瞄準其蜥蜴、尾翼、發動機、螺旋槳或攝像頭。 如果目標是火炮或迫擊炮炮彈,則激光將瞄準裝藥部位,使其在飛行過程中爆炸。 鐵束髮射的激光束直徑與硬幣相當。 就每擊毀一個目標的成本而言,鐵束比鐵幕更具優勢。 因爲鐵幕的每枚塔米爾導彈價值4萬至10萬美元,而據不同消息來源,鐵束每擊毀一個目標的成本僅爲2美元或2.2萬美元。 無論如何,它顯然仍比鐵幕便宜。 儘管鐵束令人驚歎,但它也有侷限性。 首先是射程限制,如前所述,爲7公里。 這是因爲其功率僅爲100千瓦,這是由於我們稱之爲熱運效應或熱透鏡效應的現象導致的。 該現象或使光束膨脹、彎曲、失真或散焦,從而降低光束的效率。 而通用原子能公司製造的同類型激光武器功率爲300千瓦,因此其射程可達約38公里。 在製作本視頻時,兩國已經就可能的合作進行了討論,以進一步增強鐵束的能力。 其次,鐵束並非全天候武器,與鐵幕不同,雲霧、濃煙和雨水都會影響激光的效率。 因此,在天氣惡劣時將使用鐵幕。 第三是摧毀時間,激光擊中目標後並不會立即將其摧毀。 據說,激光摧毀目標最多需要10秒,而鐵幕則可以瞬間摧毀目標。 然而,激光武器的發展尚未最終確定,未來還將發生更多變化。 這將進一步增強鐵束和其他激光武器的能力。 這無疑將改變現代戰爭的面貌。 這期就到這裏了,我們下期再見。