激光武器的核心——激光器

发布时间:2020-11-19 阅读次数:2868

激光武器的核心——激光器


国防科大副校长刘泽金院士“激光武器”科普讲座之二     

                                                                           

Q: 为什么要讲“激光器”?

A: 激光武器通常以“激光器”来分类。

 激光器能够产生毁伤目标所需的高能激光,是激光武器的核心。因此通常以激光器的类型划分激光武器的种类。


 比如:化学激光武器固体激光武器光纤激光武器等。


实际作战中,激光武器要将激光束聚焦在靶目标上,且有足够的到靶功率密度和时间积累后,才可以损伤目标。


选择激光武器使用的激光器,主要以作战效能为根本依据,从多个因素综合考虑。

激光武器的作战效能可用以下公式做一个简单的估算:                   


 


对于地基、舰载和空基作战,大气透过率是至关重要的。大气传输损耗可以直接消弱到靶激光功率,同时吸收引起大气加热,产生热晕等非线性效应,造成光束发散和畸变,从而影响到靶激光功率密度。


 三种常见误导


.片面强调功率指标


对于激光武器来说,在激光波长选定的情况下,其作战效能与激光器的功率成正比,与光束质量因子的平方成反比。


作为武器使用的激光器,既要高功率,又需要高光束质量。片面强调激光功率的指标,没有完整、可行、合理的技术路线来保证光束质量的设计方案则满足不了激光武器的实战要求。


.激光器的波长越短越好


理论上波长越短,激光武器有限口径引起的光束发散角越小,因而具有更小的焦斑尺寸和更高的到靶激光功率密度。


然而,短波长更易受大气扰动的影响,光束补偿控制更难,对器件加工的精度要求更高。另外,由于目标材料对不同波长激光的吸收率不同,损伤阈值也有较大差别。


例如:高压聚乙烯膜对于中红外波段激光是强吸收,而对于近红外波段激光几乎透明,该材料在1μm波段的激光损伤阈值是中红外激光(3.5-4.0μm)的60倍以上。


.一款激光武器可以“包打天下”适合多种作战目的


激光武器的作战效能与激光器波长强相关,不同类型的激光器各有优缺点。


要达到真正的作战目的,应充分考虑作战环境、集成平台特性和作战目标的差异性,选择合适的激光武器类型。


至今为止,没有一款激光器能够适合多类型目标作战。

Q:哪些激光器能做武器使用?

A:化学激光器、固态激光器、自由电子激光器和碱金属蒸气激光器

       

当今最大功率的连续波激光器——化学激光器


化学激光器是一类将化学键中储藏的能量转化成为激光输出的装置,其激活介质的粒子数反转是通过释能化学反应过程实现的。由于化学激光器的增益介质一般为气体或气流,通常也把化学激光器归类为特殊的气体激光器。


化学激光武器的优点可实现兆瓦级功率输出技术成熟度高光束质量好缺点体积重量大


化学激光武器是当前兆瓦级功率以上作战应用的最佳选择。


例如

氟化氢/氟化氘化学激光器(输出中心波长为2.7μm /3.8μm)和化学氧碘激光器(输出波长为1.315μm)是化学激光武器研究所使用的两种激光光源。

这两种化学激光器利用喷管、扩压器等气动技术来实现反应气流的超高声速流动,激射后的废气携带废热实时快速排放,废热在激光增益介质中完全没有积累。

两种化学激光器的增益介质都是低压、超音速气流,谐振腔内折射率分布较为均匀,且随时间基本稳定不变。这种增益介质具有均匀性好、热效应小的特点,使化学激光器可实现高效热管理,能够获得极高功率和连续稳定运转,同时保持很高的光束质量。


化学激光器是高能激光武器研究中技术最为成熟的一类激光器。它也是目前唯一可单口径、兆瓦级高平均功率输出,同时具有良好光束质量的激光光源。


美国

美国战术高能激光(THEL)、机载激光(ABL)等武器研发计划均选择了化学激光器,并成功演示了车载和机载反导试验。


氟化氘化学激光器的代表装置兆瓦级中红外先进化学激光器(Mid-Infrared Advanced Chemical Laser, MIRACL)如图1所示[1]ABL化学氧碘激光器增益模块如图2所示[2]。

图1 美国中红外先进化学激光器(MIRACL)


图2 美国ABL化学氧碘激光器增益模块


缺点:

化学激光器运转在低腔压下,激射后的废气直接排放到大气环境非常困难,需要庞大的辅助排气系统,这导致化学激光器系统体积、重量居高不下。


未来:

化学激光器的发展将针对其体积重量大、机动性能差的缺点,攻克激光器的高效、紧凑化技术,缩减激光器的重量和体积,提高激光器的移动平台适装性。


固态激光器——战术激光的主力


固态激光器是以固态激光材料作为增益介质的激光产生装置,主要包括块状(或片状)增益介质的固体激光器光纤激光器半导体激光器等。


固态激光器被称为新一代激光武器光源,具有两大突出优点


一是全电工作,战场保障相对简单固体激光器的能源供给是靠电力,在战场环境中可使用高性能储能电池或发电机进行供电。与化学激光器相比,固态激光器在存储、运输和操作使用方面更安全,可维护性更好,操作程序更简单,更适合战场使用。


二是作战效费比高固态激光器消耗的是电能,作战运行成本极低。以电驱动的激光武器为例,假设输出功率为10万瓦,电光转换的插头效率按10%计算,单次作战出光10秒仅耗电3度,消耗成本几乎可忽略不计。作战时只要有充足的电能供给就具有足够的“弹药”储备,这将大大增加武器系统的持续作战时间。


固态激光器在发展成为固态激光武器过程中也面临着多种技术挑战:


主要体现在随着输出功率的进一步提升,能源系统和热管理的压力也将加大,热效应产生的固体增益介质内部折射率不均匀会导致光束质量出现退化现象。为解决热管理问题,高功率系统变得愈来愈复杂和庞大。


近年来,固态激光器技术得到了快速发展,其中高能固体激光器和高能光纤激光器已成为战术激光武器的主要技术路线。


高能固体激光器

固体激光器以块状晶体或陶瓷材料为增益介质,通过单级振荡或级联放大结构获得大功率激光,并可通过光束合成技术实现更高功率输出。


由于块状增益介质体积大、储能多,固体激光器易于产生大功率,能实现单口径百千瓦以上功率输出,是数百千瓦级武器系统的重要选择。


实现高功率输出的固体激光器可以分为棒状激光器、热容激光器、液冷激光器、板条激光器、薄片激光器等多种技术途径。不同固体技术方案都有各自独特的优势,也都存在尚未解决的棘手问题。


棒状激光器具有较大的增益体积,有利于进行功率放大和大能量脉冲的产生,但光束质量较差;


热容激光器能实现大功率输出,但光束质量随出光时间增加迅速退化,不能长时间出光,难以满足实战需求;


液体冷却激光器利用流体的强散热能力实现大功率,但难以克服冷却液对激光性能恶化的影响。


板条激光器薄片激光器的技术成熟度较高,是当前国际上固体激光武器的主要技术路线。其中,板条激光器的板状结构和“Z”字光路设计,均化了温度梯度对激光波前的影响,大大减小热致光学畸变,可单链路定标放大至数十千瓦,多链路板条激光器经光束合成后可实现数百千瓦级功率输出。


理论上单腔薄片激光器在30~50千瓦的功率范围内可以实现较好的光束质量和较小的体积规模,但单腔百千瓦量级功率输出具有较大的技术难度,多个薄片激光器通过光束拼接的方法可实现数百千瓦级激光功率输出。


缺点:

系统热管理难、大功率输出时难以保持高光束质量,这是固体激光器的缺点,也是未来重点攻克的技术难点。


美国


      2009年,美国诺格公司采用7路15kW板条放大器相干合成实现了100kW激光输出。(系统结构和实物装置如图3所示)[3]

       2010年,美国达信公司也实现了100kW板条固体激光。但这些100千瓦级固体激光器的光束质量较差,电光效率不足20%,并没有进行武器样机的集成试验。


近年来报道的车载、舰载固体激光应对船只、无人机、炮弹等目标的演示试验都是基于十千瓦级的固体激光。

图3a系统结构示意图


         图3b实物装置

         图3为美国诺格公司100 kW板条激光器系统


高能光纤激光器


高能光纤激光器以掺稀土元素光纤为增益介质,通过振荡器或级联放大结构获得大功率激光输出。


光纤激光器的优点热管理相对简单、电光效率高、单纤光束质量好、战场环境适应性强等。但它单纤输出功率难以做大,需要复杂的光束合成系统增加功率


目前,高功率光纤激光系统的电光效率可达35%以上。由于转换效率高,光纤激光器对泵浦源的功率需求量小,而且产生的废热少,对冷却要求低,因此光纤激光器的结构更加紧凑,重量体积相对较小。同时,光纤激光器的运行无预热时间,操作简单,维护方便,平均寿命长,抗振动能力强。


光纤激光的战场适应能力强,适合装载于各种战术移动平台。


缺点:

高能光纤激光器的缺点在于输出大功率时受限较多。由于受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、模式不稳定性(MI)等效应的限制,单纤近衍射极限输出功率存在物理极限,光束合成是获得更高功率光纤激光系统的必由之路


美国

德国

在单纤高光束质量光纤激光器方面,美国IPG公司已推出10千瓦的商业产品(系统结构和实物装置如图4所示)[4],并报道了20千瓦的单纤准单模光纤激光器。

单纤高光束质量光纤激光器通过空间功率合成可实现更高功率输出,该技术已经广泛应用于激光武器演示系统。如2014年美国在“庞塞”号军舰上开展实验的33千瓦LaWS系统,2015年德国莱茵金属公司展出的80千瓦反无人机激光系统等。

然而功率合成难以保持光束质量,为在提升合成功率的同时保持高光束质量,相关研究单位也在积极推进相干合成和光谱合成研究。

在光纤激光相干合成方面,2016年美国已有通过多路光纤放大器相干合成,实现了17.5千瓦功率输出,同时具有近乎完美的光束质量的报道。

在光纤激光光谱合成方面, 2017年美国洛马公司完成60千瓦激光器研发工作,并计划交付美国陆军开展车载激光武器系统验证试验。




图 4  美国IPG公司10kW单模光纤激光器


近年来,光纤激光器取得了快速发展,国外多次报道了基于光纤激光器的激光反无人机、炮弹等的演示试验,用于低空安防(反小型无人机等低空、慢速、小目标)的高能光纤激光设备已经比较成熟。


缺点:

对于数百千瓦级的战术激光武器,当前光纤激光器的功率水平仍然偏低,高功率合成下的光束质量仍待提升,系统的体积重量仍然偏高。


这也是光纤激光器未来发展应重点解决的问题。


高光束质量半导体激光器


高光束质量半导体激光器特指将大量独立的半导体激光器进行合成,获得一束高能激光,且有较好的光束质量。它具有电光转换效率高、体积重量小等优点。


随着半导体激光器技术的快速发展,高光束质量半导体激光器的性能指标也在不断提高,若未来能满足激光武器的应用需求,则有助于电驱动激光武器系统简化结构、提高效率和降低成本。


当前,高光束质量半导体激光器最有效的技术途径是外腔反馈光谱合束(技术原理如图5所示)[5],基于该技术半导体激光器的输出功率已经达到千瓦量级,但光束质量与固体和光纤激光器仍有较大差距。


美国


美国Terodiode公司2012年推出的2.03千瓦半导体激光器产品,光束质量为3.75毫米毫弧度(约为10倍衍射极限)。

2015年推出的8千瓦产品,光束质量只有6毫米毫弧度


高光束质量半导体激光器实现高功率输出仍有许多技术难题需要解决,主要有以下几个方面:


一是单管功率提升问题。目前,近衍射极限单管半导体激光器的输出功率在10瓦量级,进一步提升功率和寿命难度极大。


二是合成路数的限制问题。外腔反馈光谱合成需要不同波长同时起振,合成路数越多,激光腔调节难度越大,合成路数不可能无限增加。


三是宽谱传输和发射问题。目前,半导体激光器效率相对较高的激光波段为880~1080纳米,处于波段内的半导体激光都可用于光谱合束,但这些波段内的激光并不都处于大气的高透窗口。若作为武器使用,谱线选择是不可避免的。

图5 外腔反馈光谱合束技术原理图


总体上,半导体激光器现阶段主要作为固体和光纤激光器的泵浦源使用,可直接用做武器的高光束质量半导体激光器尚处于探索阶段,目前还难以作为激光武器的主攻技术路线。


自由电子激光器——理想的大气传输光源


自由电子激光器将加速后的高能电子通过极性交替变换的磁场产生激光辐射,具有全电工作、波长可调的优点。它可改变自身波长以减少大气传输的影响,是舰载激光武器的候选技术路线之一。


美国


2006年美国杰弗逊实验室研制出输出波长为1.61μm、功率为14.2千瓦的自由电子激光器。大于10千瓦的功率输出,使人们看到了自由电子激光成为武器的曙光。

2010年,美国海军正式将自由电子激光项目纳入“创新性海军原型计划”,计划2015财年前完成l00千瓦自由电子激光器的演示验证。  然而,由于技术成熟度较低,研究进展缓慢,

2012年初,美国海军考虑暂停自由电子激光项目,而重点以固体和光纤激光器作为最快获得定向能武器的技术途径。

2013财年预算中,海军削减了自由电子激光的经费申请,未来将重点提升自由电子激光器关键部件的技术成熟度。

美国杰斐逊实验室自由电子激光器如图6所示[6]


从目前的研究状况看,自由电子激光武器实现舰载应用仍然面临一系列的技术挑战。


一是效率问题。自由电子激光器最核心的问题是电光转化效率太低,例如美国杰弗逊实验室研制的14.2千瓦自由电子激光器,其电光效率不足2%,极低的转换效率给电源供给带来了极大的负担。


二是尺寸问题。自由电子激光器的典型尺寸大概有30米长,无法直接安装在现有巡洋舰和驱逐舰等作战平台上。航母和大甲板两栖攻击舰可能拥有足够空间来安装自由电子激光器,但是只有核动力系统的电力能够支持兆瓦级自由电子激光器连续运转。


未来可能通过使用超导粒子加速器来减小其体积,但是这同时也需要增加低温设备。


美国


美国海军一直致力于自由电子激光器的研究,但还无法小型化和高效化以至可以舰载。

人们期待革命性的技术出现,提升自由电子激光器的效率,减少其体积和能耗。综合看来,自由电子激光器更适合地基平台使用。

图6 美国杰斐逊实验室自由电子激光器


  新选择

               碱金属蒸气激光器



DPAL采用高功率半导体激光器泵浦具有高量子效率和大吸收发射截面的碱金属原子蒸气实现近红外激光输出。激光器中的碱金属工作介质一般为铷(795nm)或铯(894nm)。


DPAL以循环流动的金属蒸气为工作介质,通过气体循环流动散热实现高效热管理。同时,DPAL以大功率半导体激光器为泵浦源,能够全电驱动工作,具备单口径功率定标放大能力,兼具固体激光器和气体激光器的优势。


是首个成功的气固融合激光器。DPAL还具有实现轻小型化兆瓦级激光的潜力,据估算兆瓦级DPAL系统的重量将不足2吨。








美国




半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser, DPAL)由美国利弗莫尔国家实验室Krupke教授2003年首次提出并实现。美国导弹防御局期望DPAL系统未来的指标能够达到2 kg/kW。近年来DPAL技术取得了快速发展,2016年美国利弗莫尔实验室实现了大于30千瓦的铷激光。


       
图7美国利弗莫尔实验室碱金属蒸气激光器



展望


DPAL的相关理论和技术均取得了较大突破,其作为激光武器光源的潜力得到初步肯定,但实现百千瓦级或更高功率输出仍有许多技术问题需要解决。


首先,碱金属元素化学性质极其活泼,可防止化学腐蚀和污染的增益发生器工程实现难度极大。


其次,DPAL的高腔压运转模式,可能对光束质量产生不利影响。目前仍缺乏相应的理论和实验研究。


DPAL对半导体泵浦源的光谱特性具有较高要求。能够适应战场环境的高功率、高稳频性窄线宽半导体泵浦源仍需半导体激光业界的进一步推动和发展。



参考文献

  1. D. C. Stoudt. Naval directed-energy weapons-No longer a future weapon concept [J]. Leading Edge, 2012, 7(4): 6–11.

  2. C. Kopp. High energy laser directed energy weapons [EB/OL]. www.ausairpower.net/APA- DEW-HELAnalysis.html, 2008-05/2018-07-03.

  3. S. J. McNaught, H. Komine, S. B. Weiss, R. Simpson, A. M. F. Johnson, J. Machan, C. P. Asman, M. Weber, G. C. Jones, M. M. Valley, A. Jankevics, D. Burchman, M. McClellan, J. Sollee, J. Marmo and H. Injeyan. 100 kW coherently combined Slab MOPAs [C]. OSA/CLEO 2009, paper CThA1.

  4. J. Hecht. Fiber lasers ramp up the power [J]. Laser Focus World, 2009, 45(12): 53-57.

  5. V. Daneu, A. Sanchez, T. Y. Fan, H. K. Choi, G. W. Turner, and C. C. Cook. Spectral beam combining of a broad-stripe diode laser array in an external cavity [J]. Opt. Lett., 2000, 25(6): 405-407.

  6. Free-electron laser targets fat [EB/OL]. https://phys.org/news/2006-04-free- electron-laser-fat.html, 2006-04-09/2018-07-03.

  7. P. J. Wisoff. Diode Pumped Alkaline Laser System: A High Powered, Low SWaP Directed Energy Option for Ballistic Missile Defense High-Level Summary-April 2017 [EB/OL]. https://www.osti.gov/servlets/purl/1357366, 2017-04-28/2018-07-03.