" " Zou deze jongeman zijn laserpistool kunnen gebruiken om een tegenstander te verdoven? Zie meer laserfoto's. Lambert/Hulton Archief/Getty Images
Je hebt ze misschien gezien in "Star Wars, " "Star Trek, " en andere sciencefictionfilms en -shows. De X-wing-jagers, de Death Star, de Millennium Falcon en de Enterprise gebruikten laserwapens in grote fictieve veldslagen om het universum te veroveren en/of te verdedigen. En ruimteschepen zijn niet de enigen die laserwarmte inpakken. Han Solo en anderen droegen de blaster in 'Star Wars'. En Captain Kirk en ander Starfleet-personeel gebruikten fasers in 'Star Trek'. Al deze wapens gebruikten gerichte energie, in de vorm van een laserstraal, om een tegenstander uit te schakelen of te doden.
Maar wat zijn de voordelen van het gebruik van een laser als wapen? Is het zelfs mogelijk? Zou je zo'n wapen kunnen gebruiken om een tegenstander te verdoven? Deze vragen worden behandeld door het Directed Energy Directorate van het Air Force Research Laboratory. Dit programma ontwikkelt hoogenergetische lasers, microgolftechnologieën en andere futuristische wapensystemen, zoals de Laser in de lucht en de PHaSR .
Lasers en andere wapens met gerichte energie hebben veel voordelen ten opzichte van conventionele projectielwapens zoals kogels en raketten:
De lichtuitgangen van de wapens kunnen met de snelheid van het licht reizen.
De wapens kunnen nauwkeurig worden gericht.
Hun energie-output kan worden gecontroleerd - hoog vermogen voor dodelijke resultaten of snijden en laag vermogen voor niet-dodelijke resultaten.
De luchtmacht heeft al drie wapensystemen ontwikkeld die worden getest en, in sommige gevallen, gebruikt. Deze systemen omvatten de Airborne Laser (Advanced Tactical Laser), de PHaSR en de Actief ontkenningssysteem . Lees verder om erachter te komen hoe lasers en deze wapensystemen werken.
Videogalerij:Lasers
De antrax-angst in New York en Florida een paar jaar geleden onderstreepte de noodzaak van snelle detectie van biologische wapens. Wetenschappers hebben een nieuwe lasertechniek ontwikkeld die miltvuur in realtime kan detecteren. Zie hoe miltvuurlasers en biohazard-technologie werken in deze video van ScienCentral.
Onderzoekers van Intel en de Universiteit van Californië, Santa Barbara demonstreerde 's werelds eerste elektrisch aangedreven hybride siliciumlaser, het aanpakken van een van de laatste hindernissen voor het produceren van goedkope, sterk geïntegreerde silicium fotonische chips voor gebruik in en rond pc's, servers en datacenters.
Lees verder
Inhoud Hoe kan een laser een wapen zijn?
Militaire lasers
De laser in de lucht
Niet-dodelijke en persoonlijke laserwapens
Hoe kan een laser een wapen zijn? " " Deze industriële snijplotter gebruikt lasers om de klus te klaren. Dick Luria/Photodisc/Getty Images
Op zijn meest elementaire, een laser is een lichtbron. Om te begrijpen hoe het een wapen kan worden, het is handig om na te denken over hoe het verschilt van de lichtbronnen die elke dag om je heen zijn. Begin met een gewone gloeilamp. De lamp zendt lichtgolven uit in alle richtingen. Deze golven, net als golven in het water, hebben pieken en troggen , of hoogtepunten en dieptepunten. Als je elke lichtgolf van een gloeilamp zou kunnen zien, je zou veel pieken en dalen tegelijk zien passeren. Er zijn er ook veel frequenties , of kleuren, van licht afkomstig van een gloeilamp, en ze combineren allemaal om te creëren wat lijkt op wit licht.
Nutsvoorzieningen, denk aan een zaklamp. De straal van een zaklamp is meer gefocust dan die van een naakte gloeilamp. Het meeste licht gaat in één richting, afhankelijk van waar je de zaklamp op richt. Er zijn nog steeds veel lichtfrequenties die samen wit licht creëren, en de toppen en dalen van de verschillende lichtgolven komen op verschillende tijdstippen voorbij.
Een laser is nog scherper dan een zaklamp. Het creëert slechts één golflengte, of kleur, van licht. De pieken en dalen van de lichtgolven zijn ook gesynchroniseerd piek tot piek en van dal tot dal. Dit betekent dat de verschillende golven elkaar niet hinderen. Dit licht reist maar in één richting. De lichtbundel kan strak worden gericht en blijft dat over grote afstanden. Lasers kunnen licht met enorme krachten produceren (1, 000 tot 1 miljoen keer sterker dan een typische gloeilamp). Verschillende soorten lasers kunnen verschillende golflengten van licht produceren, van het infrarode bereik via de zichtbare golflengten tot het ultraviolette bereik.
Licht is in feite bewegende energie. Een laser produceert zeer intense energie die over zeer lange afstanden kan reizen. Daarom kan een laser een wapen worden, terwijl het licht van een gloeilamp dat meestal niet kan.
Om dit te doen, een laser moet op een onconventionele manier licht produceren. "Laser" staat voor lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling . Met andere woorden, een laser produceert licht door het vrijkomen van fotonen , of lichte deeltjes. Een laser heeft hiervoor vier basisonderdelen nodig:
Lasermedium:een bron van atomen die opgewonden raken en licht met een specifieke golflengte uitstralen. Het medium kan een gas zijn, vloeibaar of vast.
Energiebron:primet of pompt de atomen in het lasermedium naar een aangeslagen toestand
Spiegels:een volle spiegel en een half verzilverde spiegel. Door de spiegels kan het uitgestraalde licht heen en weer kaatsen in de holte van het lasermedium en uiteindelijk naar buiten ontsnappen
Lens:de meeste lasers hebben een soort lens om de straal te focussen.
Het laserproces heeft alles te maken met het opslaan en vrijgeven van energie. Een energiebron injecteert energie in het lasermedium. De energie windt op elektronen, die naar hogere energieniveaus gaan. Als de elektronen ontspannen, ze zenden uit fotonen . De fotonen bewegen heen en weer tussen de spiegels, terwijl ze andere elektronen opwinden. Dit levert krachtige, gericht licht.
Volgende, we gaan kijken naar enkele lasers die voor het leger worden gebruikt.
Militaire lasers " " Illustratie van een vrije elektronenlaser. Een bundel elektronen wordt door een undulator gestuurd - een reeks magneten met afwisselende noord- en zuidpolen. Het magnetische veld in de undulator dwingt elke bundel elektronen heen en weer te oscilleren, waardoor ze een laserachtige lichtstraal uitstralen. Afbeelding met dank aan Flavio Robles/Creative Services Office, Lawrence Berkeley National Lab
Er zijn veel verschillende soorten lasers:
Solid state lasers een lasermedium hebben dat vast kristal is, zoals de robijnlaser of de neodinium YAG-laser, die een golflengte van 1,06 micrometer uitzendt.
Gaslasers een lasermedium hebben dat een gas of een combinatie van gassen is, zoals helium-neon laser of kooldioxide laser, die een golflengte van 10,6 micrometer uitzendt (infrarood).
Excimer lasers een lasermedium hebben dat een combinatie is van reactieve gassen, zoals chloor of fluor, en inerte gassen, zoals argon of krypton. De argonfluoridelaser zendt ultraviolet licht uit met een golflengte van 193 nanometer.
Kleurstoflasers een lasermedium hebben dat een fluorescerende kleurstof is, zoals rodamine. Ze kunnen worden afgestemd op verschillende golflengten binnen een bepaald bereik. De rhodamine 6G-kleurstoflaser kan worden afgestemd op golflengten van 570 tot 650 nanometer.
Kooldioxide lasers worden onderzocht door het leger omdat het krachtige infraroodlasers zijn die kunnen worden gebruikt voor het snijden van metaal.
Er zijn verschillende lasers die momenteel worden gebruikt voor militaire doeleinden. Een die wordt onderzocht en ontwikkeld is de vrije elektronenlaser (FEL). In de jaren zeventig, Stanford-fysicus John Madey heeft de FEL uitgevonden en gepatenteerd, die bestaat uit een elektroneninjector, een deeltjesversneller en een magnetische undulator of wiggler . Het werkt als volgt:
De elektroneninjector injecteert een puls van vrije elektronen in de deeltjesversneller.
De deeltjesversneller versnelt de elektronen tot bijna de lichtsnelheid (300, 000 km/s)
De elektronen bewegen door de undulator of wiggler, dat is een reeks magneten met afwisselende noord-zuid richtingen.
Binnen in de zwerver, de elektronen oscilleren heen en weer. Met elke bocht, ze zenden licht uit met een bepaalde golflengte.
De afstand van de magneten in de wiggler regelt de golflengte van het uitgestraalde licht. Dus, de FEL-laser kan worden afgesteld door de magneetafstand te wijzigen.
In theorie, de FEL kan worden afgestemd van het infraroodgebied naar het röntgengebied van het elektromagnetische spectrum.
FEL's zijn gebruikt om hoogenergetisch infrarood licht en synchrotron-röntgenstralen te produceren voor onderzoeksdoeleinden. De FEL was ook interessant voor het Strategische Defensie-initiatief van het Ministerie van Defensie (het "Star Wars"-programma van president Reagan). Onlangs, de US Naval Postgraduate School verwierf Madey's originele FEL ontwikkeld aan de Stanford University, te gebruiken voor militair onderzoek.
1977, de Amerikaanse luchtmacht ontwikkelde een chemische zuurstof-jodiumlaser (SPOEL). De energiebron voor de COIL is een chemische reactie, en het lasermedium is moleculair jodium. Zo werkt het:atomen, warmte en bijproducten, inclusief waterdamp en kaliumchloride.
Er vindt een chemische reactie plaats tussen chloorgas en een vloeibaar mengsel van waterstofperoxide en kaliumhydroxide.
De chemische reactie produceert enkele zuurstof
Moleculair jodium wordt in de laser geïnjecteerd. De singlet zuurstof levert de energie om de jodiumatomen te laten laseren en infrarood licht uit te zenden met een golflengte van 1,3 micrometer.
De laser kan continu licht uitstralen of het licht kan gepulseerd worden, wat de efficiëntie van de laser verhoogt.
De COIL-laser wordt gebruikt aan boord van de Airborne Laser van de luchtmacht, waar we het hierna over zullen hebben.
De laser in de lucht " " De Airborne Laser van de Air Force is een vliegtuig dat is uitgerust met een chemische laser. Het is ontworpen om raketten in de vroege vlucht neer te schieten. Foto met dank aan Kirtland AFB/V.S. Luchtmacht
In de Golfoorlog, De troepen van Saddam Hoessein vuurden SCUD-raketten af op Israëlische en Amerikaanse bases in het Midden-Oosten. Het Patriot-raketafweersysteem werd ingezet om de Amerikaanse belangen te beschermen. Patriot-raketten kunnen inkomende raketten op hun neerwaartse pad vernietigen, maar wat als je het eerder zou kunnen vangen en de raket tijdens zijn? boost fase (het opwaartse pad nabij zijn oorsprong)? Dat is wat de Amerikaanse luchtmacht is Laser in de lucht (ABL) is ontworpen om te doen -- het wordt ontwikkeld door Boeing, Northrup Grumman en Lockheed Martin-aannemers.
De ABL is gemonteerd in een aangepaste Boeing 747 jumbojet. Het bestaat uit vier lasers, geavanceerde adaptieve optica, sensoren, en computers te lokaliseren, raketten volgen en vernietigen. Het werkt als volgt:
Infraroodsensoren detecteren de hittesignatuur van een versterkende raket en rapporteren informatie aan een Actieve volglaser .
De Active Tracking Laser volgt de raket en rapporteert relevante trackinginformatie (afstand, snelheid, hoogte).
De Tracker Illuminator-laser scant het doel en zoekt uit waar de hoogenergetische laser het beste kan worden gericht.
De Beacon Illuminator Laser schijnt op het doel, bepaalt de hoeveelheid atmosferische turbulentie tussen de ABL en het doel, en geeft deze informatie door aan het adaptieve optische systeem in het richtmechanisme van de hoogenergetische laser.
Het Adaptive Optics-systeem is gemaakt van vervormbare spiegels die atmosferische turbulentie compenseren. De toren die in de neus is gemonteerd, herbergt een telescoop van 1,5 meter als onderdeel van het optieksysteem.
De COIL-laser vuurt een megawattstraal af op het doel. De straal verlaat de ABL via de op de neus gemonteerde toren.
De hoogenergetische laserstraal dringt door de huid van de doelraket en schakelt deze uit of laat deze exploderen, afhankelijk van waar de straal inslaat.
Alle operaties worden gecoördineerd door de computer.
De luchtmacht test momenteel de ABL en zegt dat het bereik in de orde van honderden kilometers ligt. De ABL heeft een bemanning van zes nodig wanneer deze volledig operationeel is, en ze zullen een speciale veiligheidsbril dragen om hun ogen te beschermen tegen mogelijke reflecties van de stralen door waterdruppels in de lucht.
Hoogenergetische lasers zoals die ontwikkeld zijn voor de ABL worden ontworpen en ontwikkeld voor gebruik op land en op zee. Deze lasers zouden op vrachtwagens of schepen kunnen worden gemonteerd en in staat zijn om binnenkomende raketten neer te schieten, artilleriegranaten en mogelijk vijandelijke vliegtuigen.
Niet-dodelijke en persoonlijke laserwapens " " Het Active Denial-systeem stuurt millimeterradiofrequenties naar een doelwit en veroorzaakt een intens branderig gevoel. Foto met dank aan het Amerikaanse ministerie van Defensie
Nu weten we dat hoogenergetische lasers worden gebruikt om raketten neer te schieten, maar hebben ze niet-dodelijke toepassingen, te? Ja. In feite, een dergelijk systeem is getest en zal binnenkort operationeel zijn. Het heet de Actief ontkenningssysteem (ADS). De ADS is geen laser, maar een op een vrachtwagen gemonteerde hoogenergetische radiofrequentiegenerator en richtantenne. Een generator binnenin creëert een 95 GHz millimetergolf . (Millimetergolven hebben golflengten van 1 tot 10 millimeter en frequenties van 30 tot 300 GHz.) De richtantenne focust de millimetergolven en stelt de operator in staat de straal te richten. De millimeterstraal dringt door de huid van iedereen op zijn pad tot een diepte van 1/64 inch, ongeveer de dikte van drie vellen papier. Zoals een magnetron, de energie van de straal verwarmt watermoleculen in het huidweefsel en veroorzaakt een intens branderig gevoel. De straal verwondt niet blijvend omdat hij niet ver doordringt, en wanneer een persoon uit de straal komt, het gevoel verdwijnt (zie Hoe militaire pijnstralen zullen werken).
Stel dat u een tegenstander even zou kunnen verdoven of afleiden. De luchtmacht heeft een apparaat ontwikkeld dat precies dat zal doen - de Personeelsstop en stimulatierespons (PHaSR). De PHaSR bevat twee low-power diodelasers, een zichtbare en een infrarood. Het is ongeveer zo groot als een geweer en kan door een persoon worden afgevuurd. Het laserlicht leidt of "verblindt" de doelpersoon tijdelijk af zonder hem te verblinden.
Het ministerie van Defensie ontwikkelt ook andere optische afleiders die het zicht van een doelwit tijdelijk kunnen belemmeren.
Je hoeft geen sci-fi-fan te zijn om je af te vragen of er persoonlijke laserwapens op de markt zijn voor burgers. Misschien zoiets als degene die je in sciencefictionshows ziet? Kan een gemiddelde persoon er een kopen of bouwen? Een bedrijf genaamd Information Unlimited adverteert met een laserstraalpistool. Na het ondertekenen van een verklaring voor gevaarlijke apparatuur en het kopen van de plannen, je kunt de hardware kopen en je eigen laserpistool samenstellen.
" " De Personnel Halting and Stimulation Response (PHaSR) is een laserwapensysteem ter grootte van een geweer dat twee niet-dodelijke lasergolflengten gebruikt om een tegenstander af te schrikken. Foto met dank aan Kirtland AFB/V.S. Luchtmacht
Het laserstraalkanon van Information Unlimited is een solid-state laser die een flitslamp gebruikt als een energieprimer en een neodiniumglasstaaf als het lasermedium. Het werkt ongeveer zoals de robijnlaser die wordt beschreven in Hoe lasers werken. Het vereist 12 volt gelijkstroom, die afkomstig is van AA-batterijen. Het straalt infrarood licht uit met een golflengte van 1,06 micrometer in korte pulsen van 3 joule voor een totaal van 500 joule aan energie. De bundel wordt gefocusseerd met a collimerende lens , die de balken recht maakt en evenwijdig maakt. Het is geclassificeerd als een gevaarlijke klasse IV laser, en het bedrijf beweert dat het gaten in de meeste materialen kan branden (infraroodlasers kunnen deze dingen doen). Dus misschien wil je er geen kopen voor de verjaardag van je 9-jarige.
Voor meer informatie over laserwapens, bekijk de links op de volgende pagina.
Veel meer informatie Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen Hoe lasers werken
Hoe militaire pijnstralen zullen werken
Hoe atomen werken
Hoe licht werkt
Hoe laserprinters werken
Hoe LASIK werkt
Hoe stealth-bommenwerpers werken
Hoe de Amerikaanse luchtmacht werkt
Hoe sciencefiction niet werkt
Hoe sciencefiction-musicals werken
Meer geweldige links Ministerie van Defensie:gezamenlijk programma voor niet-dodelijke wapens
Phasers:de wapens van Star Trek
Populaire wetenschap:aanval met de snelheid van het licht
bronnen Nationaal Defensiemagazine, Gerichte energiewapens beloven "lage kosten per kill", 2001. http://www.nationaldefensemagazine.org/issues/2001/Sep/Directed-Energy.htm
US Air Force Kirtland Air Force Base, Directie Energiedirectie. http://www.kirtland.af.mil/afrl_de/
Amerikaanse luchtmacht, Korte geschiedenis van de Airborne Laser. http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-025.pdf
Amerikaanse luchtmacht, Persoonlijke stop- en stimulatierespons (PHaSR). http://www.kirtland.af.mil/shared/media/document/AFD-070404-043.pdf
Nieuwe wetenschapper online, "Het Amerikaanse leger stelt laser-PhaSR's in om te verdoven." November 2005. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn8275
Nieuwe wetenschapper online, Het vegen van verdovingsgeweren om menigten te targeten, juni 2004.
Military.com:Blindheid:PhaSR. http://www.military.com/soldiertech/0, 14632, Soldiertech_PHASR, , 00.html
Ministerie van Defensie:gezamenlijk programma voor niet-dodelijke wapens. https://www.jnlwp.com/
IEEE Virtueel Museum. "Millimetergolven." http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/tech.php?id=2345917&lid=1
Gezamenlijk programma voor niet-dodelijke wapens, Factsheet over actief ontkenningssysteem. https://www.jnlwp.com/misc/fact_sheets/ADS%20Fact%20Sheet%20-%2015%20Oct%2007%20-%20FINAL.pdf
POPSCI.com. Val aan met de snelheid van het licht. http://www.popsci.com/military-aviation-space/article/2006-05/attack-speed-light
POPSCI.com, Hoe het werkt:het vliegende laserkanon. http://www.popsci.com/military-aviation-space/article/2008-03/how-it-works-airborne-laser-cannon
Lawrence Berkeley-laboratorium, Met de snelheid van het licht de toekomst in:het geavanceerde fotonwetenschappelijke initiatief. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/APSI.html