我国万瓦级光纤激光器在激光武器领域的进展
发布人:新特光电 时间:2017-05-08 关注:

激光武器是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器,具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能,在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。

近几年,美、俄、英、德、法、以色列等许多西方国家也都在积极发展强激光武器。在激光武器的研究方面美国具有绝对优势。美军从事高能激光武器技术研 究已有40多年的历史,取得了丰富的研究成果。目前,已初步研制出以陆、海、空基装备为平台的多种类型激光武器。美军已将先进的激光器如光纤激光器、自由电子激光器等应用到激光武器系统中,实用型激光武器即将走上战场。

波音固态激光武器系统取得重大突破

波音上周宣布,其薄片激光器系统在功率和效率方面取得了出乎意料的成绩。至此,激光器出现在战场的机率再次升级。在最近向美国国防部的演示中,该激光器的输出功率比实际项目要求还高出30%,并且拥有更高的光束质量,这为实用战术激光武器的发展铺平了道路。

正如其承诺,波音薄片激光系统采用一个薄型碟片激光器,或称为主动反射激光器。该类型固态激光器于二十世纪九十年代首次开发出来。与大部分固态激光 器采用激光棒不同,碟片激光器采用了一层比其发出的光束直径还薄的激光材料。该激光层不仅可作为激光器的增益介质或放大器,还可作为反射光束的镜子。

激光层的后面是具有散热功能的厚厚的衬底,它可以快速吸收激光层产生的热量,大幅提高激光器的功率和效率。波音的系统集成了一系列这种高性能的工业激光器,以产生单一的高能量光束。

据波音称,最新版的激光器输出功率可达到30 kW以上,这比美国国防部"耐用电子激光倡议"(Robust Electric Laser Initiative,RELI)项目的要求还高出30%,其效率也同样高出该项目要求。

"这些演示证实了激光系统的军用可能性。"波音定向能量系统副总裁和项目主管Michael Rinn表示,"为了能够进级为武器系统,一个激光器必须具备高亮度,并且能够在高功率情况下保持效率。我们的团队已经证明,我们产品的功率、光束质量和 效率完全能够满足激光器亮相战场的要求。"

军用激光器有很多类型,RELI专注于所谓的“固态型”:固态晶体作为镭射媒介。激光发射是让光粒子足够兴奋而发出特定波长的过程,而激光器利用棱 镜将受激的光子聚焦并引导成为光束。美军的联合高功率固体激光器(JHPSSL)计划已经利用固态激光器制造出世界上最大激光束,在这一领域取得了重大进 展。

洛马公司的工作是在美军“耐用电子激光倡议”( Robust Electric Laser Initiative,RELI)项目框架下进行的,该项目寻求提高电子激光功率。光纤激光效率高且激光质量较好,但一直以来强度不如其他类型的激光(如 化学激光)。RELI项目寻求在提高激光强度的同时降低对功率和冷却性的要求,使系统体积缩小以便安装在舰船或飞机上。

RELI计划中,诺格公司 也已经在高能固态激光器的研发取得相应突破。2001年,该公司为美国海军第一次成功试验了海上激光武器。凭借联合高能固体激光系统,诺格在2009年使 用固态激光器率先实现了100千瓦功率上阈。目前,诺格公司正在参与联合技术办公室、空军研究实验室、陆军太空与导弹防御司令部和美国国防预先研究计划局 共同发起的光纤激光器(RIFL)项目。

陆军太空与导弹防御司令部最近授予了洛马公司1400万美元的合同为RELI项目开发一套原型系统。该公司下属的Aculight公司使用“光谱光束组合”发出高能激光束,工作原理类似于逆向棱镜可以将进入的不同波长的光线汇成单束激光。

紧凑的光纤激光器激光功率高达100千瓦,而光纤激光器所需电力更少却能提供近乎完美的光束质量。不同于反射镜使得光线参差不一,这种方法能将光线限制在光纤的玻璃结构中。

中国:首台万瓦级光纤激光器在武汉问世

近日,我国首台万瓦连续光纤激光器在武汉问世,中国成为继美国之后第二个掌握此项技术的国家。

这台激光器虽然只有约两台冰柜叠加大小,但它肚子里却藏着10块 “能量方”,每块1100瓦,各自产生一条激光束,10条激光束再汇聚到一根光纤上,形成合力,最终产生1.1万瓦的强大能量。这项激光功率合束技术,被美国视为万瓦激光器的核心机密。

为打破垄断,历时一年研发攻关,终于掌握了该项技术。在国际上,光纤激光器越来越广泛地应用于工业造船、汽车制造、航空航天、军事设备等领域。与传统的二氧化碳激光器相比,它的耗电仅为其1/5,体积只有其1/10,但速度却快4倍,转换效率高20%,还没有污染。

中国国产高功率光纤激光器研发成功,将有利于突破国外在此领域的技术垄断与封锁。锐科公司总工程师闫大鹏说,虽然光纤激光器原理看似很简单,但高功率合束技术要做到既降低能量损耗,又保证光束质量,这在世界范围内长期以来都是一项技术难题。

“目前我国中低功率光纤激光器的制造技术已十分成熟,但高功率激光合束与泵浦耦合等领域的技术难题和器件缺乏,造成高功率光纤激光器长期依赖从国外进口。”闫大鹏说。

中国光学学会理事长、中国科学院院士周炳琨认为,万瓦光纤激光器填补了中国高功率光纤激光器领域的不少技术空白。虽然从指标上看,万瓦功率光纤激光器技术水平仅次于美国,但若要完全替代进口,还需在设备的可靠性与耐用性等方面加强测试和保障。

闫大鹏说,相对于美国已经掌握的5万瓦光纤激光器研发技术,国产光纤激光器还存在较大技术差距,“我们将按照一年一个台阶的步骤,继续努力,计划今年内向2万瓦技术冲刺”。

该项技术目前已纳入明年的国家863计划。技术团队年内还将研发2万瓦技术,实现产值1.6亿元目标。

固态激光器以其体积紧凑等优势,吸引了美国军方的注意。国体激光器成为美军激光器研究的重点方向,光纤激光器就是其中之一。

美军利用大功率激光器打造激光武器

出于弹道导弹防御的需求,美国军方从70年代起就非常注重大功率 激光武器的研制。其中进展最大的是ABL项目的氧碘化学激光器(属于气体激光器),该激光器以波音704-400F为载机,输出功率达到兆瓦级,目标是摧 毁数百公里外处于助推段的洲际导弹。尽管ABL在2010年进行两次成功的打靶测试,但美国军方认为激光器功率还要提升20-30倍,距离研制目标过远。 所以,在军费削减的大形势下,ABL项目下马转为技术储备,项目名称也改为ALTB。

美国陆军在90年代还与以色列联合研制了战术高能激光武器(THEL)。这是一款氟化氘化学激光器,目标输出功率达到40万瓦,可拦截10公里外的 飞机、火箭弹等。1996年,该激光器在白沙导弹靶场击落2枚飞行中的苏制122毫米火箭弹。THEL存在体积巨大,无法装载在地面车辆上、化学工质储备 麻烦等战术缺陷,最终也未能实用化。

化学激光器具有输出功率大的优势,所以最早受到军方重视,但体积过于巨大是其致命缺陷。中国在这一领域的研究鲜有曝光,所以难以比较,但应该难以企及美国,毕竟别人的产品已进行实弹打靶测试。

近年来,全固态激光器在输出功率上不断取得突破,在工业领域受到热捧,美国军方此时又将目光转回。全固态激光器虽然在输出功率上不及化学激光器,但其输出功率的不断提高也开始接近100千瓦的武器化门槛,而且其在小型化上有着无可比拟的优势。

美国陆、海、空三军在2002年发起联合高功率固体激光武器项目(JHPSSL)。2009年该项目取得重大突破,诺?格公司将7个输出功率15千 瓦的板条全固态激光器进行光束相干合成,得到功率为105千瓦的高能光束。至2010年该激光器已累计运行超过6小时(这6小时功率都在100千瓦以 上)。

美国海军还自行发展了激光近距离武器系统(LaWS),项目承包商为雷锡恩公司,目标是将该激光武器系统安装在密集阵武器系统侧面,激光器可对 付15千米外的目标,保留的20毫米加特林速射炮负责1.5千米距离上的目标。LaWS采用了6台IPG公司生产的5千瓦级光纤激光器,实现总输出功率 32千瓦。值得一提的是,LaWS为了降低系统复杂程度,并未采用光束相干合成技术,而是选择将6条光纤紧密排列。LaWS系统在2012年8月进行首次 海上打靶试验,成功击落无人靶机。LaWS项目的目标是获得100千瓦输出功率,按照美国商用光纤激光器目前发展的速度,该目标在2016年实现并不是遥 不可及的目标。

现在我们可以看出在固体激光器领域,国内产品与美国的差距。我国8千瓦级的全固态激光器今年还处于实验室状态,而美国在 09年已将15千瓦级产品用于激光武器。我国最先进的单模光纤激光器输出功率今年还是1千瓦级,美国也在09年将5千瓦产品武器化。而作为行业翘楚的美国 IPG公司在09年还展示10千瓦级的单模光纤激光器,武汉锐科在今年将10个单模光纤激光器通过光束相干合成才获得10千瓦的输出。可以说,单在输出功 率方面,乐观估计,我国全固态激光产品与美国还有5-10年的差距。

美国军方现在执行的激光项目繁多,除了前述的JHPSSL和LaWS,还有HELTD、MLD激光武器演示项目。HELTD、MLD研究的是激光武 器跟踪、瞄准控制,简单地说,JHPSSL是激光炮,HELTD、MLD则是它的炮座,前者是装在一辆高机动越野卡车上,后者装在军舰上。在光纤激光器方 面,美军还有100千瓦级吊舱式激光武器、10千瓦级MK-38-TLS反小艇系统两个项目。此外美军还进行自由电子激光(FEL)器的预 研,JHPSSL项目也在新型板条、光纤、盘片激光器领域进行探索,期望提高激光器的能量转换效率。

从美国激光器的发展历程来看,除了军方重视投入大量资金外,其商用激光器技术进步在激光武器化方面也起了关键作用,在全固态激光器领域,其军用与商用已出现相互促进提高的态势。

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