激光器的生產(chǎn)對現(xiàn)代科學(xué)界來講算是個新生事物。第一臺激光器是在二十世紀六十年代開發(fā)的,代表了國際軍事戰(zhàn)爭態(tài)勢激烈變化的開始;二十世紀七十年代末和八十年代也是努力將激光器發(fā)展成為武器系統(tǒng)的繁忙時期。各大軍事大國的軍事和工業(yè)部門都在努力掌握高功率激光技術(shù)、光束控制技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)。
1999年,美國國防部正式承認激光器是未來的武器,并開始研發(fā)(R&D)。2000年,聯(lián)合高能激光技術(shù)辦公室成立,旨在將所有的激光技術(shù)結(jié)合在一起,開發(fā)出可供戰(zhàn)士使用的完整的激光武器系統(tǒng)。
一般來說,激光武器是功率超過50千瓦到兆瓦,可用于對付敵人的任何激光,這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:
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環(huán)境和人員安全
Environmental and personnel safety
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鏡面涂層
Mirror coatings
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低溫要求
Chilling requirements
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電源要求
Power requirements
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激光燃料儲存
Laser fuel storage
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校準和跟蹤要求
Alignment and tracking requirements
化學(xué)激光器
1960年,第一臺激光器(紅寶石激光器)建成,但功率很小,此后是更多的激光技術(shù)開始發(fā)展起來。1965年,伴隨著美國國防部開始研究和開發(fā)更強大的武器應(yīng)用激光器,第一臺化學(xué)激光器,氟化氫(HF)建成,功率1千瓦。隨后,1968年,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的基線演示激光器產(chǎn)生了100千瓦的功率;1975年,海軍 - ARPA化學(xué)激光器(NACL)產(chǎn)生了250千瓦的功率。
第一臺紅寶石激光器由研究物理學(xué)家Theodore H. Maiman于1960年研發(fā)
固體激光器
固體激光器就是用固體激光材料作為工作物質(zhì),一般采用光學(xué)透明的晶體或者玻璃作為基質(zhì)材料,摻以激活離子或者其他激活物質(zhì)等構(gòu)成,主要有紅寶石激光器、釹玻璃激光器和Na... YAG激光器。其中,玻璃激光工作物質(zhì)容易制成均勻的大尺寸材料,用于高能量或高峰值功率激光器,但熒光譜線較寬,熱效能較差,不適合在高平均功率下工作。而晶體激光物質(zhì)具有良好的熱性能和機械性能,且有窄的熒光譜線,但不易獲得大尺寸材料的晶體。固體激光使用晶體或是玻璃作為激光介質(zhì),依靠電能驅(qū)動,結(jié)構(gòu)緊湊,成本低,用途廣泛,適應(yīng)性強,適合緊湊型武器系統(tǒng)。盡管固體激光器不能像化學(xué)激光器那樣可以達到兆瓦級的功率,但它們還有一個很大的優(yōu)點,就是比化學(xué)激光器更容易穿透大氣。
不同基質(zhì)材料的固體激光器的特點
化學(xué)激光器
化學(xué)激光武器是激光武器中最成熟的類型,它利用工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量激勵工作物質(zhì)產(chǎn)生激光,例如以氟化氮作為氧化劑使得乙烯燃料在燃燒室內(nèi)發(fā)生燃燒,在燃燒室的下游,氖氦混合氣體被注入燃燒后的尾氣中,產(chǎn)生自由的DF分子,這些分子在激光器的諧振腔內(nèi)受激發(fā)后,產(chǎn)生激光。目前常見的化學(xué)激光武器有氧-碘激光武器、氟化氫激光武器、氟化氖激光武器等。目前氧碘化學(xué)激光武器裝置技術(shù)的研究重點是提高效率和輕型設(shè)計,以便減輕系統(tǒng)重量和改進作戰(zhàn)適用性。研究盡可能利用塑料代替金屬,同時研究燃料的再循環(huán)工作問題。
20世紀80年代中期開發(fā)的中紅外高級化學(xué)激光器(MIRACL)是美國研發(fā)化學(xué)激光器的重點項目。 MIRACL產(chǎn)生的是連續(xù)波,中紅外(3.8-μ)激光,其操作類似于燃料(乙烯,C2H4)用氧化劑(三氟化氮,NF3)燃燒的火箭發(fā)動機。光束可以被引導(dǎo)到許多不同的測試區(qū)域或SEA LITE光束導(dǎo)向器進行測試。
20世紀80年代中期,在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場的陸軍高能激光系統(tǒng)試驗設(shè)施(HELSTF)中,MIRACL項目的激光和光束導(dǎo)向器被整合在一起。 整合之后,在以下領(lǐng)域進行了廣泛的測試:
高功率光學(xué)組件和波束調(diào)節(jié)
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光束控制技術(shù)
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高功率傳播
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目標受到傷害和脆弱性
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瞄準殺傷力
MIRACL支持的測試包括:
• 飛行無人機(BQM-34)
• 帶有飛行無人機的常規(guī)防衛(wèi)計劃
• 使用防暴導(dǎo)彈進行高速目標測試
• 飛行無人機進行高空目標測試
• 使用1.5米孔徑的導(dǎo)彈和羽流測試
• 放射性校準的圖像和光譜輻射測量
這些成功的測試使得許多人認為MIRACL是海軍激光武器系統(tǒng)(LWS)之前海軍開發(fā)的第一個也是唯一一個成功的激光武器系統(tǒng)。
氣體激光器
氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成(圖1)。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學(xué)激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下,利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等,氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級上,從而形成與某低能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡單、造價低,操作方便,工作介質(zhì)均勻,光束質(zhì)量好以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。
二氧化碳激光器屬于氣體系列。 這些激光器是最早的,真正的高功率激光器,并且一直是用于高能激光(HEL)武器研發(fā)的最重要的激光器之一。 在工業(yè)中,更強大的CO2激光器用于焊接,鉆孔和切割。二氧化碳激光器已被研究用作非致命武器。氣體動力激光器(GDL)是一種基于分子振動態(tài)松弛速度差異的CO2激光器。 激光介質(zhì)的氣體具有這樣的性質(zhì):能量較低的振動狀態(tài)比較高的振動狀態(tài)放松得更快; 從而在特定的時間內(nèi)實現(xiàn)人口反轉(zhuǎn)。
光纖激光器
FOL采用摻雜光纖作為增益介質(zhì)。與SSL相似,F(xiàn)OL的輸出與摻雜的稀土元素有關(guān)。近年來,隨著激光二極管泵浦技術(shù)和雙包層摻雜光纖制造工藝的進步,光纖激光器煥發(fā)出蓬勃生機。與常規(guī)光纖不同,雙包層光纖多了一個用來傳輸泵浦光的內(nèi)包層。內(nèi)包層的橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比光纖纖芯大得多。采用雙端泵浦方式,泵浦光進入內(nèi)包層中反射并多次穿過纖芯被摻雜的稀土金屬離子吸收。
FOL輸出功率的大小在很大程度上取決于泵浦技術(shù)的發(fā)展,當前利用更為先進的并行側(cè)向泵浦技術(shù)將多個泵浦二極管激光器輸出的泵浦光同時耦合進入到光纖的內(nèi)包層,再加之分叉形光纖的使用,可方便地對其進行級聯(lián),進一步增大了激光器的輸出功率。當前,單模光纖激光器的輸出功率已經(jīng)達到了10kW以上。
IPG CW光纖激光器,其產(chǎn)生適度的光束質(zhì)量,通過熱加熱和燒穿導(dǎo)致材料和部件的損壞。 海軍水面作戰(zhàn)中心Dahlgren分部(NSWCDD)購買了八臺商用5.5千瓦IPG激光器,每個機柜內(nèi)安裝兩個多模(七光纖)激光器。 這種類型的激光器由于柔性光纖而易于安裝。
其他激光器
還有其他類型的激光器不一定適合化學(xué)或固態(tài)類別,這些包括半導(dǎo)體激光器和自由電子激光器。
自由電子激光器(FEL)利用自由電子的受激輻射,把電子束的能量轉(zhuǎn)換為激光。具體實現(xiàn)是電子從原子脫離后,通過線性加速器加速到高能態(tài),這些高能態(tài)電子被導(dǎo)入到擺動器,迫使它們以光子的形式釋放出能量,當光子進入諧振腔后,光子在諧振腔兩端的反射鏡之間來回運動,并激發(fā)出更多相同頻率的光子,最后形成一簇連續(xù)的光束發(fā)射出去。
美國海軍研究實驗室(ONR)從1996年開始自由電子激光器的研制,2004年激光器功率已經(jīng)到了10kW,2007年達到25 kW,并于2010年完成了100kW級自由電子激光器的初步設(shè)計方案。兆瓦級自由電子激光武器能裝備于新一代的全電戰(zhàn)艦上,為美國海軍提供全面的打擊和防御能力。自由電子激光武器的艦載應(yīng)用要求緊湊型的矩形激光器模塊。整個系統(tǒng)將被安置在船體中部,以減小光束傳輸系統(tǒng)模塊的彎曲效應(yīng),并采用超導(dǎo)射頻加速器驅(qū)動自由電子激光器,兩臺安裝在船身中部的光束定向器提供封鎖艦船所需的360°覆蓋。
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