레이저 무기

레이저 무기의 분류

열선

이들은 주로 열적 메커니즘을 통해 손상을 입히는 레이저이다. 빔의 에너지가 표적을 직접 가열하여 탄화, 용융, 점화 및 기화를 일으킨다. 연속 빔을 방출하는 모든 레이저가 이 범주에 속하며, 짧은 펄스 빔도 강도가 충분히 떨어져서 표적에 기계적 효과를 더 이상 일으킬 수 없을 때 여전히 열선 효과를 가질 수 있다. 초기 레이저는 거의 항상 열선이었다.

블래스터

열적 작용보다 기계적 방식으로 물질을 손상시키는 편이 훨씬 효율적이다. 레이저는 극도로 짧은 펄스를 극한의 강도로 방출하여 물질을 순식간에 플라즈마로 바꾸면서 주로 기계적 손상을 일으킬 수 있다. 그 결과 발생하는 폭발은 충격파를 생성하여 분화구를 파내고 표적에 균열을 일으킬 수 있다. 이런 방식으로 블래스터는 열선의 10분의 1에서 100분의 1의 에너지로 열선과 비교할 만한 손상을 일으킬 수 있다.

깊은 관통을 달성하기 위해 블래스터는 일반적으로 매우 빠른 펄스 연속을 방출한다. 각 펄스는 이전 펄스가 만든 분화구로 떨어져 빔이 깊은 구멍을 뚫을 수 있게 한다.

가시광선 및 근가시광선 파장

대기에서는 근적외선과 가시광선 파장의 빔이 가장 좋은 성능을 낸다. 이러한 색상은 빔이 먼 적을 공격할 수 있을 만큼 충분히 긴 범위에서 초점을 맞출 수 있게 하면서도 산란, 흡수, 다광자 이온화 및 연쇄 플라즈마 형성으로 인한 치명적인 빔 흡수로 인한 과도한 손실을 피할 수 있다. 가시광선 범위의 청색 끝에 접근함에 따라 먼 표적에 대한 산란 손실이 상당해질 수 있다. 근자외선에서는 산란이 과도해질 수 있으며 다광자 이온화가 종종 펄스 빔을 비실용적으로 만든다. 자외선으로 더 나아가면 모든 기체가 불투명해져 레이저 빔을 즉시 흡수한다. 중적외선 파장 상당수는 대기에 흡수된다. 공기가 투명한 파장의 경우에도 이렇게 긴 파장은 초점을 맞추기 어려워, 보통 더 짧은 파장의 빛에 밀려 잘 쓰이지 않는다. 이러한 문제는 원적외선에서 더욱 악화되며, 너무 강렬한 빔이 빔의 나머지를 흡수하는 연쇄 이온화를 일으킬 때도 문제가 된다.

수중 무기에 적합한 레이저 광선의 유일한 파장은 청색과 녹색이다. 이러한 색상의 빛은 흡수되기 전에 수십 미터를 관통할 수 있다. 다른 파장의 가시광선은 몇 미터 내에서 흡수되는 반면, 적외선은 거의 즉시 흡수된다.

가시광선 및 근가시광선 레이저는 거울과 렌즈로 쉽게 방향을 조정할 수 있다. 결과적으로 레이저 자체는 종종 두꺼운 장갑 아래 또는 차량의 중앙에 묻혀 있으며, 빔은 일련의 거울과 빠르게 회전해 표적을 겨눌 수 있는 포탑을 거쳐 조준된다. 보병 무기, 자기 방어 또는 스포츠 사냥에 사용되는 휴대용 레이저는 소형이며 총신이 없지만 빔을 초점 맞추기 위한 큰 조리개 렌즈를 갖추고 있다.

X선 파장

X선은 긴 거리에서 초점을 맞출 수 있는 극도로 짧은 파장 때문에 우주 전투에 이상적이다. 그러나 공기는 X선에 불투명하므로 이 파장의 레이저는 대기 중이나 대기가 있는 행성 폭격에는 쓰이지 않는다. X선은 직접 반사될 수 없고 모든 렌즈 재료에 흡수되기 때문에 다루기 까다롭다. 연X선은 복잡한 저각 입사 반사 거울을 사용하여 초점을 맞출 수 있지만, 이것조차도 경X선에는 실패한다. 많은 X선 레이저는 자기 증폭 자발 방출이라는 과정에 의존하며, 이는 매우 긴 레이징 챔버가 필요하고 매우 작은 직경의 불안정한 빔을 초래한다. 또는 성형 결정 회절 공동 발생기의 시드 빔을 X선 레이저 증폭기에 의해 파괴적인 수준으로 증폭시켜 종종 2차 초점 없이 사용되는 강력한 빔을 방출할 수 있다. 고출력 죽음의 빔은 표적에 도달할 때까지 물질을 결코 건드릴 필요가 없으므로 섬세한 초점 광학 장치에 극한의 출력 수준이 충돌하는 어려운 문제를 제거한다.

작동

냉각

초기 레이저 무기는 종종 매우 비효율적이어서 입력 에너지의 10%만을 출력 광선으로 변환한다. 나머지 에너지는 열을 생성하며, 이는 제거되지 않으면 레이저를 손상시킨다. 기술이 발전하면서 레이저 효율도 높아져 고급 레이저 무기가 90% 효율에 접근하거나 심지어 초과할 수 있다. 이 덕분에 무기의 열 부하가 크게 줄어, 수동 냉각만으로 충분한 경우도 많아진다.

열 관리가 문제가 되는 경우 능동 냉각 시스템이 필요하다. 대기 또는 수권에서는 레이저의 뜨거운 부분에 차가운 공기나 물을 불어넣는 팬을 사용하는 것만큼 간단하거나, 열에 민감한 구성 요소를 지나 폐쇄 순환 작동 유체를 펌핑한 다음 열 확산을 통해 주변 환경으로 열을 빠져나가게 하는 일련의 냉각 파이프 또는 핀을 통해 분배하는 것만큼 복잡할 수 있다. 우주의 진공에서는 폐쇄 순환 시스템이 큰 라디에이터 핀이나 액적 라디에이터를 통과해야 하며, 이는 무기 시스템의 크기를 크게 증가시킨다. 이러한 라디에이터는 취약한 표적이며 전투에서 손상될 수 있어 종종 레이저를 작동 불능 상태로 만든다. 우주에서는 뜨거운 냉각제를 진공으로 직접 배출해 개방 순환 냉각을 할 수 있다. 이것은 냉각제 공급이 소진될 때까지만 계속될 수 있다. 레이징 매체 자체가 소모품인 경우 원시적인 화학 레이저에서처럼 사용된 뜨거운 레이징 유체를 직접 배출하여 열 부하를 줄일 수 있다.

초점 및 회절

레이저 빔은 손상을 입힐 만큼 충분히 작은 지점에 빔을 집중시키기 위해 적절한 렌즈나 성형 거울로 초점을 맞춰야 한다. 빔을 올바른 지점에 초점을 맞추려면 표적까지의 거리를 알아야 한다. 레이저 무기는 이 목적을 위해 자동 거리 측정기를 통합한다.

레이저의 범위는 먼 거리에서 초점을 맞추는 능력에 의해 제한된다. 완벽하게 초점이 맞춰진 빔도 회절 때문에 퍼진다. 이 확산은 빔의 초기 폭과 빔의 파장의 비율에 따라 달라진다. 빔을 초점 맞출 수 있는 가능한 가장 작은 지점 크기를 계산할 수 있다. 초기 빔 폭이 D이고, 빛의 파장이 L이며, 표적까지의 거리가 R인 경우 가장 작은 지점 크기(S)는 다음과 같이 주어진다.

S = 1.2 R L / D.

이는 직경 10미터 렌즈를 통해 방출한 녹색광 레이저(파장 0.5마이크론)가 100킬로미터 떨어진 곳에서 직경 6밀리미터의 지점으로 초점을 맞출 수 있다는 것을 의미한다. 결과적으로 장거리 레이저 무기는 초점을 맞추기 위한 큰 조리개를 갖거나, 짧은 파장을 사용하거나, 또는 둘 다를 갖는다.

산란 및 가시성

가시광선 레이저는 빔의 빛이 산란되기 때문에 눈에 보인다. 순수한 기체조차도 레일리 산란으로 알려진 효과를 통해 빛을 산란시킨다. 레일리 산란은 파장이 짧은 빛에 더 효과적이므로 청색 빛이 가장 많이 산란되고 녹색, 황색, 주황색이 뒤따르며 적색 빛이 가장 적게 산란된다. 공기 중에 떠 있는 입자는 산란되는 빛의 양을 크게 증가시킨다. 입자에서 산란되는 빛은 파장의 영향을 크게 받지 않는다. 지구와 유사한 대기에서 대인 레이저의 빔은 밤에, 실내에서, 그리고 흐린 날씨에도 맑은 공기에서 명백하지만, 완전한 햇빛에서 명확하게 보이려면 녹색과 청색 빛이 필요할 수 있다. 가시 빔을 방출하는 대장갑 및 대차량 레이저는 대낮에 항상 명백하다. 먼지, 스모그, 안개, 꽃가루, 보풀, 연기 또는 기타 떠 있는 입자의 양이 있으면 가시광선 빔이 비콘처럼 빛난다.

공기가 투명한 모든 파장의 짧고 고출력 레이저 펄스는 대기에서 자기 초점을 거쳐 플라즈마의 빛나는 필라멘트를 생성할 수 있다. 이 필라멘트는 빔의 경로를 그리는 백열 줄무늬처럼 뚜렷하게 보인다. 플라즈마 채널을 생성하는 것이 레이저 빔에서 에너지를 빼앗기 때문에, 무기 빔은 일반적으로 표적 바로 앞에서만 자기 초점을 시작하도록 설계되거나, 전혀 시작하지 않도록 설계된다.

모든 레이저는 표적에 입사하는 곳에서 보인다. 보이지 않는 파장에서 작동하는 레이저는 플라즈마, 불꽃 및 날아다니는 파편의 플레어를 생성한다. 가시광선 레이저는 이 모든 것을 생성하고, 입사 지점에서 빔과 같은 색상의 눈부신 플레어도 생성한다.

프레넬 렌즈 및 영역판

한 가지 유용한 배열은 최종 초점 요소와 레이저 방출기를 분리하여, 빔이 회절에 의해 매우 크게 퍼진 지점에서 방출기로부터 수 킬로미터 떨어진 곳에 큰 렌즈나 거울을 배치하는 것이다. 이런 방식으로 넓은 빔을 수 광초 떨어진 곳에 초점을 맞출 수 있다. 평평한 프레넬 렌즈가 이 응용 분야에 일반적으로 사용된다. 방출기와 렌즈 사이의 거리가 클수록 렌즈가 더 커야 한다. 그러나 렌즈가 클수록 빔의 유효 범위가 더 크다.

이미지 제공: Steve Bowers
참고: 그림은 축척대로가 아니다. 건쉽은 300미터 이상일 수 있고, 영역판은 수만 킬로미터 떨어져 있을 수 있으며, 표적은 광분 떨어져 있을 수 있다.

X선 레이저 빔은 고체의 조밀한 영역판을 통한 회절로 초점을 맞출 수 있다. 불행히도 영역판의 회절 패턴은 빔 에너지의 50% 이상을 흡수하거나 소산시키지만, 남은 것은 매우 먼 표적의 빔의 매우 짧은 파장과 판의 큰 크기 덕분에 매우 먼 표적의 매우 작은 지점에 초점을 맞출 수 있다.

방어 조치

표적은 장갑을 사용하여 레이저 공격으로부터 스스로를 보호할 수 있다. 다이아몬드, 다이아몬도이드, 흑연, 풀러라이트 또는 직조 나노튜브와 같은 벌크 탄소는 용융 및 기화에 대한 탁월한 저항성과 결합된 우수한 기계적 보호를 제공하므로 레이저(발사체 및 기타 열적 또는 기계적 위협은 물론)에 대한 보호에 일반적으로 사용된다. 두껍고 회전하는 외부 장갑 껍질은 레이저가 주요 위협인 곳에서 종종 볼 수 있다. 빔이 회전 주기보다 훨씬 짧은 시간 규모로 모든 장갑을 뚫을 만큼 충분히 강렬하지 않으면, 동심 껍질의 다른 회전이 단일 구멍이 모든 껍질을 관통하고 중요한 구성 요소에 도달하는 것을 방지한다.

반사 재료는 근거리에서는 거의 보호 효과가 없다. 펄스 빔의 경우 강도가 너무 높아져서 반사율은 별로 중요하지 않다 - 빔은 그것이 마주치는 모든 표면에서 전자를 찢어 낸다. 더 낮은 강도에서도 빔은 반사 표면을 빠르게 가열하여 구멍을 내거나 그을리고 따라서 반사율을 감소시키거나 플라즈마로 순간 변환시킬 수 있다 이 시점에서 빔은 플라즈마를 가열하고 플라즈마는 표면을 가열하여 반사율을 우회한다. 그러나 우주에서 레이저 교전 범위의 한계에서는 빔이 충분히 퍼져서 반사 재료가 유용할 수 있다.

그러나 최선의 방어는 전혀 맞지 않는 것이다. X선 레이저는 매우 장거리 무기일 수 있으므로 광속 지연의 고려 사항이 중요하다 - 물체가 수 광초 또는 심지어 광분 떨어져 있으면 겉보기 위치에서 멀어질 수 있으며 그것을 향해 방향이 조정된 X선 빔은 빗나갈 것이다. 그러나 대가가 없는 것은 아니다. 회피하는 우주선이 귀중한 추진제를 소비해야 하기 때문이다. 레이저로 무장한 우주선이 적에게 충분한 추진제를 사용하도록 강제할 수 있다면, 그 적은 더 이상 임무를 완수할 수 없어 레이저 우주선의 승리로 이어질 수 있다.

레이저의 종류

기체 레이저, 화학 레이저 및 고체 레이저

이러한 유형의 레이저는 일반적으로 역사적 관심만 있다. 기체 레이저는 일반적으로 의료 또는 산업 맥락에서 사용되었지만 전쟁에는 거의 쓸모가 없었다.

화학 레이저는 유체의 화학 반응으로 구동되며, 이 유형의 일부 레이저는 무기로 사용되었다. 예를 들어 화학 산소 요오드 레이저(COIL)는 대미사일 무기로 사용되었으며 차량에 장착될 수 있었다. 그러나 사용 시 소비되는 부피가 크고 비싼 화학 물질이 필요하다는 단점 때문에 기술적으로 가능해지자마자 고체 레이저로 대체되었다.

고체 레이저는 금속 이온 도핑제가 첨가된 유리 또는 결정 재료를 레이징 매체로 사용한다. 실제로 초기 정보 시대에서 레이저의 가장 오래된 형태는 루비 결정을 사용했다 남아 있는 남아 있는 역사 기록에 따르면 그렇다. 일부 로우테크(Lo Tech) 및 낮은 미드테크 사회는 여전히 이러한 종류의 레이저를 사용하며 때때로 무기로 사용하지만, 이러한 종류의 레이저는 다이오드/양자점/나노방출기 레이저와 자유 전자 레이저, 그리고 광학 위상 배열에 의해 거의 완전히 대체되었다.

자유 전자 레이저

자유 전자 레이저는 X선을 포함한 매우 넓은 범위의 주파수의 레이저 빔을 생성하도록 조정될 수 있다. 이 장치는 자체 레이징 매체가 없으며, 대신 초상대론적 전자 빔이 교번 자기장(위글러라고 함)을 통과하여 강렬한 간섭성 광선을 생성한다. 가장 일반적으로 에너지 회수 선형 가속기가 펨토초 전자 펄스를 가속하는 데 사용된다. 위글러를 통과한 후 전자 펄스는 가속 장과 180도 위상이 어긋나게 재순환되어 에너지를 회수하고 다음 배치를 가속하는 데 사용할 수 있다. 그러나 이러한 선형 가속기는 매우 크므로 대형 구조물이나 전함 내부에 수용되어야 한다. 일반적인 자유 전자 X선 레이저 건쉽은 길이가 10킬로미터일 수 있으며 많은 천문 단위 떨어진 표적을 공격하기 위해 크고 먼 금속 영역판과 함께 사용된다. 더 긴 파장의 빛은 덜 에너지적인 전자를 생성해야 하므로 가시광선 및 근가시광선 자유 전자 레이저는 훨씬 더 컴팩트하지만, 여전히 수십 미터 길이이며 해양 선박, 제트 수송 항공기, 비행선 또는 궤도 폭격 우주선과 같은 고정 설치물 또는 매우 큰 차량에 장착되어야 한다.

다이오드 레이저

이것들은 매우 작을 수 있으며 다이오드를 사용하여 반도체 기판에서 빛 방출을 자극한다. 반도체 레이저의 한 가지 일반적인 용도는 대기 또는 수중에서 사용되는 소형 무기이다. 이것들은 빔을 생성하기 위해 제조된 광학 공진기를 사용한다 - 현대 고체 레이저에 사용되는 형광 원자와 같은 "자연" 공진기와는 다르다. 위상 고정 반도체 또는 다이오드 레이저. 위상 공액 "거울"을 사용하여 빔을 위상 고정함으로써 매우 고품질의 빔을 생성할 수 있다. 더 고급 시스템은 양자 우물 또는 양자점, 또는 반도체 접합 레이징 매체를 대체하기 위한 더 고급 나노스케일 스마트 물질 방출기를 사용한다. 이러한 유형의 레이저는 종종 근적외선 또는 가시광선 스펙트럼 부분에서 작동하며 높은 효율을 가진다 - 가장 고급 형태는 에너지 입력을 빛으로 변환하는 데 90% 이상 효율적일 수 있다.

휴대용 레이저에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하라.

광학 위상 배열

가장 유연한 형태의 레이저 무기는 광학 위상 배열에 의해 생성되는 것이다. 광학 위상 배열은 발광 재료, 센서 및 관련 프로세서의 레이어로 구성된다. 이러한 구성은 조명쇼 및 움직이는 이미지, 실제 또는 상상의 물체 및 장면의 3차원 투영을 포함한 광범위한 광학 효과를 방송할 수 있다. 위상 배열 시스템은 뒤에 있는 장면의 이미지를 투영하여 모든 방향으로 물체가 겉보기에 사라지게 할 수 있다.

이 기술은 또한 전체 물체가 단일 조리개 레이저인 것처럼 빛을 방출할 수 있게 한다. 모든 물체 - 차량, 위성, 건물 또는 우주복 - 를 사용하여 방출된 빛을 표적에 집중시킬 수 있다. 이러한 배열은 행성 간 또는 심지어 항성 간 무기로도 사용될 수 있다. 전체 전함, 거주지 또는 심지어 행성 크기의 물체가 위상 배열 레이저로 사용된다. 다이슨 구(Dyson Sphere)체가 방출한 가시 파장 위상 배열 레이저를 사용하여 별의 전체 에너지 출력을 근처 태양계의 행성에 집중시켜 며칠 만에 완전히 우주로 끓여버릴 수 있다. 이러한 시스템은 니콜-다이슨 빔으로 알려져 있다. 이러한 빔은 전쟁에서 거의 사용되지 않았지만, 최근 오라클 전쟁(Oracle War) 중에 많은 것이 사용되었다.

그러나 광년의 거리로 분리된 물체를 정확하게 표적으로 삼는 것은 매우 어려운 작업이다. 두 개 이상의 물체를 포함하는 궤도 역학의 혼돈적 성격 때문에 행성 또는 다른 물체의 정확한 위치는 수년 이상의 시간 규모에서 다소 예측할 수 없으며, 이는 빔이 항성 간 공간을 가로질러 표적에 도달하는 데 걸리는 시간이다. 먼 표적에 대한 명중을 확실히 하려면 빔이 그 표적의 위치와 관련된 불확실성보다 커야 하며, 이는 훨씬 더 많은 전력의 소비를 필요로 한다 대부분이 낭비된다.

광학 위상 배열에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하라.

핵펌핑 X선 레이저

이러한 비효율적인 무기는 문화적으로 고립되어 더 고급 설계에 접근할 수 없는 중간 기술 사회에서 때때로 사용된다. 핵분열 무기가 표적을 향해 조준된 금속 막대 클러스터 내부에서 폭발한다. 막대는 파괴되기 직전에 짧은 X선 펄스의 레이징 매체가 된다. 반물질 펌핑 버전은 MASS 무기 시스템에 의해 사용되며, 그 버전은 여전히 현대에 사용된다.

항성 레이저

특정 자연 항성 현상은 간섭성 방출을 초래한다. 이것들은 종종 매우 일시적이며 고광도 볼프-레이에(Wolf-Rayet) 별이나 빠르게 진화하는 원시별과 같은 다양한 에너지적 물체와 연관되어 있다. 항성 공학 기술을 사용하여 조용한 주계열성에서도 그러한 고에너지 사건을 유도할 수 있으며, 공격적 또는 방어적 목적을 위해 강력한 간섭성 빔이 생성될 수 있다.