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军用激光历史和激光器类型演进

来源:高端装备发展研究中心

  发布:cici

关键词:化学激光器 固体激光器

2018-01-09

 使用光线作为武器的想法可以追溯到公元前212年希腊部队司令希波克拉底。 他的部队据说是通过用镜子把阳光聚焦在罗马舰队的风帆上。基于激光和“射线枪”的武器系统长期以来一直是科幻小说的主要组成部分,已经吸引了世界各地人们的想象力。 但是,随着激光器在过去50年中的发展,激光武器系统已经成为现实。

 

激光器的生产对现代科学界来讲算是个新生事物。第一台激光器是在二十世纪六十年代开发的,代表了国际军事战争态势激烈变化的开始;二十世纪七十年代末和八十年代也是努力将激光器发展成为武器系统的繁忙时期。各大军事大国的军事和工业部门都在努力掌握高功率激光技术、光束控制技术和自适应光学。

 

1999年,美国国防部正式承认激光器是未来的武器,并开始研发(R&D)。2000年,联合高能激光技术办公室成立,旨在将所有的激光技术结合在一起,开发出可供战士使用的完整的激光武器系统。

 

一般来说,激光武器是功率超过50千瓦到兆瓦,可用于对付敌人的任何激光,这比商用激光器的功率大得多。 因此,激光武器需要更多的支持需求,包括:

 

  • 环境和人员安全

    Environmental and personnel safety

  • 镜面涂层

    Mirror coatings

  • 低温要求

    Chilling requirements

  • 电源要求

    Power requirements

  • 激光燃料储存

    Laser fuel storage

  • 校准和跟踪要求

       Alignment and tracking requirements

 

化学激光器

1960年,第一台激光器(红宝石激光器)建成,但功率很小,此后是更多的激光技术开始发展起来。1965年,伴随着美国国防部开始研究和开发更强大的武器应用激光器,第一台化学激光器,氟化氢(HF)建成,功率1千瓦。随后,1968年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)的基线演示激光器产生了100千瓦的功率;1975年,海军 - ARPA化学激光器(NACL)产生了250千瓦的功率。

第一台红宝石激光器由研究物理学家Theodore H. Maiman于1960年研发

固体激光器

固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质,一般采用光学透明的晶体或者玻璃作为基质材料,掺以激活离子或者其他激活物质等构成,主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和Na... YAG激光器。其中,玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料,用于高能量或高峰值功率激光器,但荧光谱线较宽,热效能较差,不适合在高平均功率下工作。而晶体激光物质具有良好的热性能和机械性能,且有窄的荧光谱线,但不易获得大尺寸材料的晶体。固体激光使用晶体或是玻璃作为激光介质,依靠电能驱动,结构紧凑,成本低,用途广泛,适应性强,适合紧凑型武器系统。尽管固体激光器不能像化学激光器那样可以达到兆瓦级的功率,但它们还有一个很大的优点,就是比化学激光器更容易穿透大气。

 

不同基质材料的固体激光器的特点

化学激光器

化学激光武器是激光武器中最成熟的类型,它利用工作物质的化学反应所释放的能量激励工作物质产生激光,例如以氟化氮作为氧化剂使得乙烯燃料在燃烧室内发生燃烧,在燃烧室的下游,氖氦混合气体被注入燃烧后的尾气中,产生自由的DF分子,这些分子在激光器的谐振腔内受激发后,产生激光。目前常见的化学激光武器有氧-碘激光武器、氟化氢激光武器、氟化氖激光武器等。目前氧碘化学激光武器装置技术的研究重点是提高效率和轻型设计,以便减轻系统重量和改进作战适用性。研究尽可能利用塑料代替金属,同时研究燃料的再循环工作问题。

 

20世纪80年代中期开发的中红外高级化学激光器(MIRACL)是美国研发化学激光器的重点项目。 MIRACL产生的是连续波,中红外(3.8-μ)激光,其操作类似于燃料(乙烯,C2H4)用氧化剂(三氟化氮,NF3)燃烧的火箭发动机。光束可以被引导到许多不同的测试区域或SEA LITE光束导向器进行测试。

 

20世纪80年代中期,在新墨西哥州白沙导弹靶场的陆军高能激光系统试验设施(HELSTF)中,MIRACL项目的激光和光束导向器被整合在一起。 整合之后,在以下领域进行了广泛的测试:

 

高功率光学组件和波束调节

  • 光束控制技术

  • 高功率传播

  • 目标受到伤害和脆弱性

  • 瞄准杀伤力

 

MIRACL支持的测试包括:

   •   飞行无人机(BQM-34)

   •   带有飞行无人机的常规防卫计划

   •   使用防暴导弹进行高速目标测试

   •   飞行无人机进行高空目标测试

   •   使用1.5米孔径的导弹和羽流测试

   •   放射性校准的图像和光谱辐射测量

 

这些成功的测试使得许多人认为MIRACL是海军激光武器系统(LWS)之前海军开发的第一个也是唯一一个成功的激光武器系统。

 

气体激光器

气体激光器利用气体作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成(图1)。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下,利用电子碰撞激发和能量转移激发等,气体粒子有选择性地被激发到某高能级上,从而形成与某低能级间的粒子数反转,产生受激发射跃迁。气体激光器结构简单、造价低,操作方便,工作介质均匀,光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作。

 

二氧化碳激光器属于气体系列。 这些激光器是最早的,真正的高功率激光器,并且一直是用于高能激光(HEL)武器研发的最重要的激光器之一。 在工业中,更强大的CO2激光器用于焊接,钻孔和切割。二氧化碳激光器已被研究用作非致命武器。气体动力激光器(GDL)是一种基于分子振动态松弛速度差异的CO2激光器。 激光介质的气体具有这样的性质:能量较低的振动状态比较高的振动状态放松得更快; 从而在特定的时间内实现人口反转。

 

 

光纤激光器

FOL采用掺杂光纤作为增益介质。与SSL相似,FOL的输出与掺杂的稀土元素有关。近年来,随着激光二极管泵浦技术和双包层掺杂光纤制造工艺的进步,光纤激光器焕发出蓬勃生机。与常规光纤不同,双包层光纤多了一个用来传输泵浦光的内包层。内包层的横向尺寸和数值孔径都比光纤纤芯大得多。采用双端泵浦方式,泵浦光进入内包层中反射并多次穿过纤芯被掺杂的稀土金属离子吸收。

 

FOL输出功率的大小在很大程度上取决于泵浦技术的发展,当前利用更为先进的并行侧向泵浦技术将多个泵浦二极管激光器输出的泵浦光同时耦合进入到光纤的内包层,再加之分叉形光纤的使用,可方便地对其进行级联,进一步增大了激光器的输出功率。当前,单模光纤激光器的输出功率已经达到了10kW以上。

 

IPG CW光纤激光器,其产生适度的光束质量,通过热加热和烧穿导致材料和部件的损坏。 海军水面作战中心Dahlgren分部(NSWCDD)购买了八台商用5.5千瓦IPG激光器,每个机柜内安装两个多模(七光纤)激光器。 这种类型的激光器由于柔性光纤而易于安装。

 

 

其他激光器

还有其他类型的激光器不一定适合化学或固态类别,这些包括半导体激光器和自由电子激光器。

 

自由电子激光器(FEL)利用自由电子的受激辐射,把电子束的能量转换为激光。具体实现是电子从原子脱离后,通过线性加速器加速到高能态,这些高能态电子被导入到摆动器,迫使它们以光子的形式释放出能量,当光子进入谐振腔后,光子在谐振腔两端的反射镜之间来回运动,并激发出更多相同频率的光子,最后形成一簇连续的光束发射出去。

 

美国海军研究实验室(ONR)从1996年开始自由电子激光器的研制,2004年激光器功率已经到了10kW,2007年达到25 kW,并于2010年完成了100kW级自由电子激光器的初步设计方案。兆瓦级自由电子激光武器能装备于新一代的全电战舰上,为美国海军提供全面的打击和防御能力。自由电子激光武器的舰载应用要求紧凑型的矩形激光器模块。整个系统将被安置在船体中部,以减小光束传输系统模块的弯曲效应,并采用超导射频加速器驱动自由电子激光器,两台安装在船身中部的光束定向器提供封锁舰船所需的360°覆盖。