羅 威，董文鋒，楊華兵，許鵬程，唐志凱

(空軍預(yù)警學(xué)院五系，湖北武漢430019)

1 引言

1960年，Maiman制造出第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器［1］，由于具有高亮度、單色性好、方向性好的特點(diǎn)，激光自誕生之日起便與軍事應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起，特別是發(fā)展“光速防御/進(jìn)攻”定向能激光武器的強(qiáng)大吸引力，一直推動(dòng)著高功率激光器的快速發(fā)展［2］。

激光器本質(zhì)上是將其他能量轉(zhuǎn)換為激光的器件。激光器有多種分類方式，按工作介質(zhì)可分為:固體激光器(紅寶石激光器、釹玻璃激光器、Nd∶YAG激光器)、氣體及蒸汽激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器、銅蒸汽激光器)、液體激光器(染料激光器)、自由電子激光器等，一些新型獨(dú)立命名的激光器，如光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等都可歸于固體激光器，而HF/DF化學(xué)激光器、堿金屬激光器等都可歸于氣體及蒸汽激光器。按泵浦/激勵(lì)方式的不同可分為光泵浦、電激勵(lì)激光器(電泵浦)、燃燒驅(qū)動(dòng)激光器(熱泵浦)、化學(xué)激光器(化學(xué)反應(yīng)泵浦)等，在一些激光器中采用組合泵浦方式;按運(yùn)轉(zhuǎn)方式又可分為連續(xù)波激光器和脈沖激光器［3］。

激光器發(fā)展至今種類眾多，某些激光器發(fā)展多年技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛，但仍停留在低功率輸出水平，如氦氖激光器;某些新型激光器發(fā)明不久，便被認(rèn)定為超高功率激光器備選方案并得到大力發(fā)展，如二極管泵浦堿金屬激光器，其原因是因?yàn)楦吖β始す馄鞯陌l(fā)展隱藏著某些特殊要求和一般性規(guī)律。本文對(duì)已實(shí)現(xiàn)超高功率輸出及有實(shí)現(xiàn)超高功率輸出潛質(zhì)的激光系統(tǒng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，其中包括二氧化碳激光器、HF/DF化學(xué)激光器、氧碘化學(xué)激光器、光纖激光器、固體激光器、半導(dǎo)體泵浦堿金屬激光器等，并對(duì)高功率激光器發(fā)展趨勢(shì)及內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行了討論。

2 高功率激光器

2.1 二氧化碳激光器

CO2激光器包括電激勵(lì)CO2激光器和燃燒驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)CO2激光器兩種類型。Patel于1964年首次提出發(fā)展CO2激光器的設(shè)想，并于1965年發(fā)明首臺(tái)電激勵(lì)CO2激光器［4］。電激勵(lì)CO2氣體激光器的基本原理為:對(duì)N2－CO2－He混合氣體進(jìn)行放電，利用放電將N2分子激勵(lì)到振動(dòng)激發(fā)態(tài)，隨后通過(guò)近共振傳能將能量從激發(fā)態(tài)N2分子轉(zhuǎn)移到CO2分子，產(chǎn)生激射態(tài)CO2分子并最終形成激射，反應(yīng)方程式如下:

燃燒驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)CO2激光器反應(yīng)方程式與之基本相同，但是通過(guò)燃燒放熱來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)激發(fā)態(tài)的N2分子，并通過(guò)超音速擴(kuò)張的氣動(dòng)方式來(lái)“凍結(jié)”能量。

電激勵(lì)CO2激光器是最早發(fā)展的高能激光系統(tǒng)，目前功率水平在25kW左右［5－6］，激光器系統(tǒng)具有極高的可靠性、非常穩(wěn)定的功率輸出以及卓越的光束質(zhì)量，在工業(yè)材料處理領(lǐng)域(如激光切割、焊接、打標(biāo)等)長(zhǎng)期占據(jù)統(tǒng)治性地位，但電激勵(lì)CO2激光器也有缺點(diǎn):(1)波長(zhǎng)太長(zhǎng)限制了光束聚焦的緊密度;(2)此波長(zhǎng)不能通過(guò)光纖傳輸，只能使用反射鏡組件將光束從激光器傳輸?shù)焦ぷ鲌?chǎng)所;(3)激光器維護(hù)時(shí)偶爾需要更換放電氣體和電極［7］。因此在新型固體激光器和光纖激光器出現(xiàn)后，電激勵(lì)CO2激光器正在被逐步替代。

燃燒驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)CO2激光器是最早發(fā)展的超高功率激光系統(tǒng)，還是首臺(tái)連續(xù)波千瓦級(jí)功率輸出同時(shí)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)百秒量級(jí)的激光器［8］，艾維克·愛(ài)弗雷德實(shí)驗(yàn)室135kW大型氣動(dòng)CO2激光器則是首臺(tái)輸出功率超過(guò)100kW的超高功率激光器［2］。美國(guó)空軍“機(jī)載激光實(shí)驗(yàn)室”(Airborne Laser Laboratory，ALL)項(xiàng)目以超高功率氣動(dòng)CO2激光器為基礎(chǔ)，計(jì)劃將一臺(tái)半兆瓦量級(jí)的激光器裝入改進(jìn)的波音707飛機(jī)，并結(jié)合光束控制系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建整套激光武器系統(tǒng)。ALL順利引導(dǎo)激光光束聚焦并引爆拖曳前行的模擬目標(biāo)——AIM－9B空對(duì)空導(dǎo)彈，并擊毀用于模擬海面巡航導(dǎo)彈的海面掠行靶機(jī)。由于存在激光波長(zhǎng)較長(zhǎng)而光學(xué)鏡面尺寸有限、10km以上大氣傳輸性能非常差等缺點(diǎn)，ALL獲得了實(shí)驗(yàn)室成功，但不適合作為實(shí)戰(zhàn)武器系統(tǒng)，1983年ALL項(xiàng)目被終止。

電激勵(lì)CO激光器與CO2激光器原理相似，最高發(fā)展水平為短時(shí)間運(yùn)行100kW功率輸出系統(tǒng)［9］，其系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性都遠(yuǎn)不及CO2激光器，因此沒(méi)有得到太多關(guān)注。

2.2 HF/DF化學(xué)激光器

與CO2激光器相似，HF/DF化學(xué)激光器也包括電激勵(lì)HF/DF化學(xué)激光器［10］和燃燒驅(qū)動(dòng) HF/DF化學(xué)激光器，不同的是，HF/DF激光器中放電和燃燒僅用于解離氟源氣體(F2，NF3，SF6等)產(chǎn)生F原子，而高功率HF/DF化學(xué)激光器一般為燃燒驅(qū)動(dòng)類型。激光器泵浦方式為式(4)所示化學(xué)反應(yīng)，一般被稱之為“冷反應(yīng)”，激光的產(chǎn)生見(jiàn)式(5)，DF激光器的泵浦與激射與HF激光器類似［11］。

1967年，Kompa等人首先成功演示脈沖式HF激光器［12］，1969年Spencer等人引入氣動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波HF激光器［13］。之后HF/DF激光器的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)，激光器輸出功率在短短十余年就突破了兆瓦級(jí)。以HF/DF激光器為基礎(chǔ)開(kāi)展了多項(xiàng)激光武器研制計(jì)劃，其中包括“基本演示激光器”項(xiàng)目(Baseline Demonstration Laser，BDL)、“海軍ARPA化學(xué)激光器”/“先進(jìn)中紅外化學(xué)激光器”項(xiàng)目(Navy-ARPA Chemical Laser/Mid-Infrared Chemical Laser，NACL/MIRACL)、“Alpha 天基激光器”項(xiàng)目(Alpha Space Based Laser，SBL)、地基“戰(zhàn)術(shù)高能激光器”/“機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)高能激光器”項(xiàng)目(Tactical High Energy Laser/Mobile Tactical High Energy Laser，THEL/MTHEL)等。

BDL項(xiàng)目在1973年首次出光，并成為世界上首臺(tái)百千瓦量級(jí)HF/DF化學(xué)激光器。MIRACL1980年研制成功，成為首臺(tái)兆瓦級(jí)DF化學(xué)激光器，到1983年MIRACL最高輸出功率達(dá)到2.2MW，輸出功率1MW時(shí)光束質(zhì)量達(dá)2倍衍射極限［14］，MIRACL激光器在美軍白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)高能激光測(cè)試中心(HELSTF)中使用超過(guò)25年［2］，配合“海石”光束定向器完成了對(duì)“陶”式反坦克導(dǎo)彈、“大力神”火箭、“火蜂”靶機(jī)、“喀秋莎”火箭彈、衛(wèi)星等多次攻擊實(shí)驗(yàn)［15］。Alpha激光器為環(huán)柱型 HF化學(xué)激光器，1989年研制成功，到1992年其最高輸出功率達(dá)到5MW，光束質(zhì)量達(dá)到近衍射極限［16］，Alpha激光器曾用于美國(guó)首個(gè)“天基激光器”(Space Based Laser，SBL)項(xiàng)目，項(xiàng)目所需要的大部分技術(shù)已完成研制及組合，但由于其他原因該項(xiàng)目于2002年被終止［2］。THEL/MTHEL項(xiàng)目由美國(guó)和以色列聯(lián)合研制，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是發(fā)展成陸軍使用的機(jī)動(dòng)平臺(tái)戰(zhàn)術(shù)激光武器，用于對(duì)抗來(lái)襲火箭彈、榴彈炮、迫擊炮等，2000年THEL系統(tǒng)成功追蹤并摧毀多枚“喀秋莎”火箭［17］;MTHEL系統(tǒng)用三輛車裝載，一輛裝氟化氘激光器，一輛裝火控雷達(dá)，一輛裝激光燃料，在2004年的試驗(yàn)中成功擊毀了多發(fā)齊射迫擊炮彈，由于有效射程不滿足實(shí)際作戰(zhàn)需求，該項(xiàng)目在2006年被終止［18］。

HF/DF化學(xué)激光器需要在低光腔壓力條件下工作，而產(chǎn)生的廢氣需排入大氣。在小型低功率激光系統(tǒng)中可用真空機(jī)組來(lái)制造低腔壓條件，而大型高功率激光系統(tǒng)中只能用擴(kuò)壓器和引射器構(gòu)成的壓力恢復(fù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣直排。壓力恢復(fù)系統(tǒng)器件本身和所需的大量引射氣體造成HF/DF化學(xué)激光器體積重量龐大，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)平臺(tái)難以負(fù)載，這也是制約HF/DF激光器軍事應(yīng)用的主要因素之一。

2.3 氧碘化學(xué)激光器

氧碘化學(xué)激光器工作原理為，首先利用雙氧水(H2O2)和氯氣(Cl2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生單重態(tài)氧，單重態(tài)氧(O2*)在光學(xué)諧振器中與碘混合，通過(guò)碰撞產(chǎn)生激發(fā)態(tài)碘原子，然后通過(guò)受激輻射產(chǎn)生激光:

氧碘化學(xué)激光器(chemical oxygen-iodine laser，COIL)在1978年首次演示成功［19］。之后COIL技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)足發(fā)展，輸出功率快速提升［20－22］，COIL與HF/DF激光器一樣需要在低光腔壓力條件下工作，重量體積同樣也成為COIL軍事應(yīng)用的主要制約因素之一，因此過(guò)去10年內(nèi)COIL技術(shù)最主要的推動(dòng)力量是提高系統(tǒng)總壓來(lái)簡(jiǎn)化壓力恢復(fù)系統(tǒng)，方案為通過(guò)單重態(tài)氧發(fā)生器(singlet-oxygen generator，SOG)和光腔內(nèi)氣流混合設(shè)計(jì)來(lái)提高運(yùn)行壓強(qiáng)［23－24］。

COIL技術(shù)在“先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光”(Advanced Tactical Laser，ATL)和“機(jī)載激光”(Airborne Laser，ABL)項(xiàng)目中達(dá)到發(fā)展頂峰，在ATL演示中燒穿了運(yùn)動(dòng)中卡車的引擎罩［25］，在ABL演示中成功擊落處于助推段的彈道導(dǎo)彈［26］。ATL和ABL項(xiàng)目完成了對(duì)組成整套復(fù)雜武器系統(tǒng)的各項(xiàng)至關(guān)重要技術(shù)的全面系統(tǒng)驗(yàn)證，包括激光器、光束控制、自適應(yīng)光學(xué)、大氣光學(xué)、熱管理和流體控制系統(tǒng)、壓力恢復(fù)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離追蹤等技術(shù)。ABL設(shè)計(jì)指標(biāo)為:激光器連續(xù)波輸出功率達(dá)到3MW，交戰(zhàn)時(shí)間5s/10s，最大射程300km/600km，計(jì)劃用于戰(zhàn)區(qū)范圍內(nèi)摧毀處于助推段的彈道導(dǎo)彈以及其他各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。由于激光器體積重量龐大，ABL戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用面臨眾多的問(wèn)題，2011年12月美國(guó)國(guó)防部正式終止ABL研發(fā)計(jì)劃。

COIL是仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，發(fā)展方向有［27］:(1)提高激光器的效率，盡可能地降低單態(tài)氧發(fā)生器中產(chǎn)生的水，把水對(duì)單態(tài)氧的猝滅降至最低限制;(2)采用新的燃料和化學(xué)混合物，激光器中單態(tài)氧發(fā)生器占了很大重量，正在研究一些代替單態(tài)氧的方法，如全氣相碘激光器［28］，電激勵(lì)氧碘激光器［29］;(3)燃料循環(huán)使用，燃料差不多占了飛機(jī)載重的1/3，因此開(kāi)發(fā)循環(huán)使用燃料的方法至關(guān)重要;(4)采用塑料件代替鋼部件，不僅能大大減輕重量，而且注塑成形降低了成本;(5)采用新氣源引射器，減小了激光器壓力恢復(fù)系統(tǒng)的重量和體積;(6)研制高壓運(yùn)行的COIL，減小壓力恢復(fù)系統(tǒng)的重量和體積。

2.4 自由電子激光器

自由電子激光器(free electron laser，F(xiàn)EL)由Madey等人首次演示［30］，這是一種完全不同的高能激光系統(tǒng)。自由電子激光是由電子加速器產(chǎn)生的相對(duì)論性(接近光速)電子束團(tuán)在周期性磁場(chǎng)中振蕩產(chǎn)生的相干輻射。自由電子與電磁場(chǎng)的經(jīng)典交互作用產(chǎn)生了激光增益區(qū)域，并通過(guò)光腔將有用能量以激光光束的形式提取出來(lái)［31］，其原理如圖1所示。

圖1 自由電子激光器原理示意圖［7］

FEL的特點(diǎn)之一是激光波長(zhǎng)取決于電子束能量和周期性磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而非取決于任何原子或分子的特定量子態(tài)，因此FEL具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即能夠在軟X射線至中紅外寬廣波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧輸出。然而在高功率輸出時(shí)，同一組鏡片只能用于特定較窄波段激光振蕩及傳輸，即波長(zhǎng)調(diào)諧輸出時(shí)人們必需更換鏡子來(lái)適應(yīng)特定波長(zhǎng)，并更換和調(diào)試相應(yīng)部件，這個(gè)操作過(guò)程不可能很快完成。FEL的另一傳統(tǒng)缺點(diǎn)即存在體積重量大和電效率低的問(wèn)題。

美國(guó)海軍一直重點(diǎn)發(fā)展FEL，因?yàn)镕EL波長(zhǎng)可調(diào)諧的特點(diǎn)使激光能在海面富含水汽的大氣環(huán)境中更好的傳輸，同時(shí)海軍擁有的大型艦船能夠容納FEL體積重量大和電效率低的缺點(diǎn)［7］。兆瓦級(jí)自由電子激光器在理論上可以實(shí)現(xiàn)［32－33］，但到目前為止，有報(bào)道的FEL最高水平為連續(xù)波14.3kW功率輸出［34］。

2.5 固體激光器

利用閃光燈泵浦技術(shù)，首臺(tái)固體激光器(solid state laser，SSL)也是首臺(tái)激光器由Maiman演示成功［1］。SSL的增益介質(zhì)為摻雜有稀土元素(如釹、鉺、鐿等)的晶體棒或晶體板(有時(shí)極薄);使用不同摻雜物能產(chǎn)生系列不同輸出波長(zhǎng)，但一般都位于近紅外區(qū)域。最常見(jiàn)并使用至今的晶體材料之一為摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)，相應(yīng)激光波長(zhǎng)為1064nm。閃光燈泵浦技術(shù)的低效率使SSL在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)步履維艱，直到使用二極管激光器作為泵浦源之后，使SSL的電光效率大幅提高，其機(jī)動(dòng)平臺(tái)軍事應(yīng)用潛力才顯現(xiàn)出來(lái)［35］。

世紀(jì)之交，二極管泵浦固體激光器(diode pumped solid state laser，DPSSL)發(fā)展迅猛。Goodno等人于2001年研制出415W連續(xù)波DPSSL，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%［36］，之后研制出功率高達(dá)19kW的鎖相Z字型板條激光器陣列［37－38］。DPSSL目前最高水平為105kW鎖相激光系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，對(duì)7個(gè)15kW的主振蕩功率放大器(master oscillatorpower amplifier，MOPA)激光鏈進(jìn)行了相干合成，如圖2所示，(直流)電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.3%，平均光束質(zhì)量(BQ)為 2.9，運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 300s［39］。

圖2 105kW鎖相SSL激光系統(tǒng)示意圖［7］YDFA—鐿摻雜光纖放大器;PM—相位調(diào)制器;AOM—聲光調(diào)制器

SSL領(lǐng)域顯示出光明前景的一個(gè)分支為薄盤片激光器。Giesen等人在將近20年前已提出此概念［40］，Giesen和 Speiser對(duì)此類型 SSL進(jìn)行了非常好的專題論述［41］。盤片激光器在保持較好光束質(zhì)量情況下已獲得超過(guò)35kW的功率輸出。

最近在“海上演示激光”(Maritime Demonstration Laser，MDL)項(xiàng)目中，美國(guó)海軍利用諾·格公司建造的SSL系統(tǒng)演示了艦船防御，在一英里之外擊壞了一座小型船只的發(fā)動(dòng)機(jī)［42］。在“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(High-Energy Liquid Laser Area Defense Systems，HELLADS)項(xiàng)目中，將系列薄盤片激光放大器浸泡在冷卻液中，用這種獨(dú)特方式來(lái)緩解在高功率SSL系統(tǒng)中普遍存在的廢熱管理問(wèn)題［7］。

SSL存在的主要問(wèn)題是晶體內(nèi)廢熱沉積，產(chǎn)生熱梯度并導(dǎo)致光束質(zhì)量問(wèn)題。在高功率SSL嘗試了多種散熱方式，如加大晶體散熱面積(板條、薄盤片激光器)、預(yù)先冷卻(熱容激光器)、流體流動(dòng)散熱(氣冷、水冷)等，SSL系統(tǒng)的發(fā)展方向和實(shí)際應(yīng)用前景也取決于對(duì)廢熱管理的改進(jìn)程度。

2.6 光纖激光器

光纖激光器是指采用摻雜光纖作為增益介質(zhì)的激光器，與固體激光器類似，其輸出波長(zhǎng)與摻雜元素相關(guān)，一般位于近紅外區(qū)域。光纖激光器的概念早在1961年就已提出［43］，3年之后被Koester和Snitzer驗(yàn)證［44］。之后20多年光纖激光系統(tǒng)發(fā)展緩慢，但到了1990年代，為滿足因特網(wǎng)持續(xù)快速發(fā)展的需求，用于快速通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w技術(shù)經(jīng)歷了爆炸式發(fā)展。近年來(lái)，隨著大模場(chǎng)面積雙包層摻雜光纖制造工藝和激光二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根單模雙包層光纖激光器的輸出功率迅速提高［45－47］。高能光纖激光系統(tǒng)的當(dāng)前最高技術(shù)水平是IPG光子公司制造和銷售的10kW單模光纖激光器［48］，插頭效率(注:總電光效率)大于30%。IPG同時(shí)銷售一種50kW的光纖激光系統(tǒng)，但是其光束質(zhì)量極差(BQ＞30)。

光纖激光器有個(gè)重要的問(wèn)題難以解決，即單根光纖激光器內(nèi)部極高的功率密度會(huì)不可避免地誘發(fā)受激布里淵散射(SBS);這將限制單根光纖激光器輸出功率的提高［49］，有研究指出單模寬譜光纖的輸出功率極限約為36.6kW［50］。進(jìn)一步提高光纖激光器輸出功率的解決方案中，光束合成有一定優(yōu)勢(shì)也有潛在局限性［51］，對(duì)高功率光纖激光器進(jìn)行相干光束合成的研究也正在進(jìn)行當(dāng)中［52］。在美國(guó)海軍“激光武器系統(tǒng)”(Laser Weapon System，LaWS)項(xiàng)目中，最近成功演示了光纖激光器技術(shù)的軍事應(yīng)用［53］。

光纖激光器是仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，由于具有電光效率高、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊、能夠?qū)崿F(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量激光輸出等優(yōu)點(diǎn)，光纖激光器功率提升及軍事應(yīng)用前景被普遍看好，也得到非常多的關(guān)注。同時(shí)光纖激光器進(jìn)軍材料加工領(lǐng)域后，正在逐步替代CO2激光器的統(tǒng)治地位，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)能夠與大多數(shù)金屬更好地耦合，并且利用光纖可以很方便地將激光導(dǎo)入到工作臺(tái)。

2.7 堿金屬激光器

堿金屬激光器全稱為二極管激光泵浦堿金屬蒸汽激光器(Diode pumped alkali vapor laser，DPAL)，堿金屬是指鋰、鈉、鉀、銣、銫等元素，研究較多的銣激光波長(zhǎng)為795nm，銫激光波長(zhǎng)為895nm，兩種波長(zhǎng)均位于大氣窗口，大氣傳輸性能極佳。2003年銣原子激光器完成首次出光演示［54］，到2012年 DPAL實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)閉環(huán)流動(dòng)1000W連續(xù)波銫激光輸出［55］。

DPAL的發(fā)展目前還面臨著很多問(wèn)題，如二極管激光器的泵浦光線寬與DPAL系統(tǒng)增益介質(zhì)吸收線寬不匹配的問(wèn)題，增益介質(zhì)流動(dòng)的問(wèn)題等等，但這并不妨礙研究者將其定標(biāo)放大至超高功率輸出激光系統(tǒng)的信心［56］，原因在于DPAL綜合了傳統(tǒng)氣體和固體激光的優(yōu)勢(shì)，即氣體介質(zhì)流動(dòng)散熱、采用高功率的二極管激光器陣列來(lái)作為泵浦源，其他優(yōu)點(diǎn)還有全電操作、結(jié)構(gòu)緊湊、高量子效率、介質(zhì)可循環(huán)使用、不存在單口徑功率極限等，對(duì)兆瓦級(jí)DPAL進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的研究工作已然開(kāi)展［57］。

在DPAL連續(xù)波輸出功率剛剛突破千瓦前提下，系統(tǒng)能否順利擴(kuò)大規(guī)模還有很多問(wèn)題，因此DPAL只能稱之為有潛力實(shí)現(xiàn)高功率輸出的激光系統(tǒng)，本文將DPAL列于其中，正是為了分析分析高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律。

3 高功率激光器發(fā)展趨勢(shì)

從發(fā)明至今，激光技術(shù)經(jīng)歷了40余年的高速發(fā)展，根據(jù)不同應(yīng)用需求發(fā)展出種類繁多的激光器，而高功率激光器則有其獨(dú)特的發(fā)展規(guī)律。作為能量轉(zhuǎn)換器件，激光器可簡(jiǎn)單分為能量注入、能量轉(zhuǎn)換、激光產(chǎn)生三部分，研制高功率激光器的關(guān)鍵即發(fā)展高功率能量注入、能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好的激光系統(tǒng)。

在能量注入方面，高功率高效率的能量注入是實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的基本條件。在激光器中除了使用電(磁)、光、熱、電子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等能量形式之外，甚至還嘗試過(guò)核能、煙火能量等。每種能量又各自包括很多具體實(shí)施方式，如電泵浦就包括直流輝光放電、空心陰極放電、弧光放電、微波射頻放電等多種方式［10］。在很多激光器中實(shí)際使用的是組合泵浦方式，如燃燒驅(qū)動(dòng)HF/DF化學(xué)激光器中，用燃燒放熱解離氟源(如NF3、F2等)產(chǎn)生F原子，F(xiàn)原子參與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生HF/DF增益介質(zhì);二極管泵浦固體/光纖激光器中先通過(guò)電光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生寬線寬的二極管激光，再用二極管激光泵浦晶體/光纖產(chǎn)生窄線寬的固體/光纖激光。發(fā)展高功率激光系統(tǒng)需要從中選擇最易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)高功率高效率能量注入的方式，如多種生成鹵化氫的化學(xué)反應(yīng)都可用于產(chǎn)生激光，但僅HF激光器實(shí)現(xiàn)超過(guò)功率輸出，因?yàn)槠浠瘜W(xué)反應(yīng)放熱量最大。

在能量轉(zhuǎn)換方面，高能量轉(zhuǎn)換效率是實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的必要條件。實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的一種方式為簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換過(guò)程，如化學(xué)激光器直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為激光，與其他激光器相比省去了能量轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，因此發(fā)展短短十余年就實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)輸出并長(zhǎng)期在高能激光器領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷;另一種方式則是提高各能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率，如固體激光器初期采用閃光燈泵浦，閃光燈－激光的低效率使固體激光器的發(fā)展一度陷入停滯，但采用二極管激光作為泵浦源后，電能－激光二極管－固體激光的能量轉(zhuǎn)換效率均大為提高，固體激光器也很快重新進(jìn)入高能激光器行列。高能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)高功率激光器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，并直接影響高功率激光器的發(fā)展方向，其作用主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面:

一、激光器體積重量。激光器體積重量過(guò)大是目前制約激光武器發(fā)展的主要因素，激光系統(tǒng)(HF激光器、氧碘激光器)體積重量龐大導(dǎo)致平臺(tái)難以負(fù)載，是天基激光武器(SBL)和機(jī)載激光武器(ABL)項(xiàng)目下馬的直接原因，而燃料儲(chǔ)罐在激光系統(tǒng)體積重量構(gòu)成中占據(jù)了相當(dāng)大的比重，提高能量轉(zhuǎn)換效率能有效縮減激光器體積重量。高功率固體和光纖激光器在將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)平臺(tái)軍事應(yīng)用時(shí)，實(shí)際上需要三次能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即燃料－電能－激光二極管陣列－激光器，任何一次轉(zhuǎn)換若不能足夠高效都會(huì)導(dǎo)致整套激光器件的體積重量龐大。

二、廢熱管理。激光器作為能量轉(zhuǎn)換器件，總注入能量除轉(zhuǎn)換為激光輸出外，剩余能量大部分將會(huì)轉(zhuǎn)換為廢熱。假設(shè)一臺(tái)兆瓦級(jí)激光器的總能量轉(zhuǎn)換效率為20%，那么會(huì)產(chǎn)生將近4 MW的廢熱，即相當(dāng)于3～4倍的激光能量將會(huì)反饋至激光器自身。廢熱除了會(huì)損害激光系統(tǒng)器件，增益介質(zhì)中的廢熱還會(huì)直接影響激光光束質(zhì)量。如何處理廢熱是發(fā)展高功率激光器要解決的首要問(wèn)題，也直接限定了高功率激光器的發(fā)展思路。外部器件的冷卻一般采用常見(jiàn)的風(fēng)冷、水冷方式，對(duì)激光器內(nèi)部即增益介質(zhì)的廢熱處理方式選擇則非常有限:快速流動(dòng)(氣體液體介質(zhì))、增大散熱表面積(固態(tài)介質(zhì))。如高功率CO2激光器、HF/DF激光器、氧碘激光器均采用增益介質(zhì)快速流動(dòng)方式，將提取過(guò)增益的介質(zhì)快速排出激光器，廢熱也隨之排出;高功率固體和光纖激光器均采用增大散熱表面積方式，固體激光器增益介質(zhì)為板條型或薄盤片型晶體，光纖激光器增益介質(zhì)則為極細(xì)極長(zhǎng)的光纖，其它方式如固體熱容激光器尚能在一般高功率下運(yùn)行，但無(wú)法適應(yīng)超高功率運(yùn)行。

在激光產(chǎn)生方面，光束質(zhì)量好、大氣傳輸性能好的激光是高功率激光器實(shí)際軍事應(yīng)用的有效保障。高光束質(zhì)量能夠保障激光束在遠(yuǎn)距離傳輸后仍能很好地聚焦，光束質(zhì)量與激光介質(zhì)(濃度、折射率、溫度等)均勻性關(guān)系密切，實(shí)際運(yùn)行中廢熱管理問(wèn)題對(duì)光束質(zhì)量有較大影響。大氣傳輸性能好主要是指激光波長(zhǎng)應(yīng)位于傳輸透射率高的大氣窗口區(qū)，這樣遠(yuǎn)距離傳輸后激光功率只會(huì)有限衰減。此外，由于激光“亮度”與波長(zhǎng)平方成反比，為達(dá)到更好破壞效果，傾向于發(fā)展波長(zhǎng)更短的高功率激光系統(tǒng)［2］，從CO2激光器、HF/DF激光器、COIL、固體/光纖激光器到DPAL的實(shí)際發(fā)展歷程也顯示激光器波長(zhǎng)在逐步縮短，然而為避免激光散射光對(duì)人眼造成傷害，激光波長(zhǎng)應(yīng)處于“人眼安全”范圍(大于 ＞1.4μm)［7］，如何權(quán)衡尚無(wú)定論。

4 結(jié)論

在軍事應(yīng)用需求的強(qiáng)力推動(dòng)之下，高功率激光器技術(shù)向著更高功率、更好光束質(zhì)量、更佳大氣傳輸性能、更高能量轉(zhuǎn)換效率、更緊湊簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。二氧化碳激光器、氟化氫/氟化氘化學(xué)激光器、氧碘化學(xué)激光器、光纖激光器、固體激光器、半導(dǎo)體泵浦堿金屬激光器等都是激光技術(shù)領(lǐng)域的非凡成就，本文對(duì)其各自發(fā)展歷程和共同發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，指出研制高功率激光器的關(guān)鍵即發(fā)展高功率能量注入、能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好的激光系統(tǒng)。

［1］T H Maiman．Stimulated optical radiation in ruby［J］．Nature，1960，187(4736):493 －494．

［2］J A Horkovich．Directed Energy Weapons:Promise ＆ Reality［C］．AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference，2006，3753．

［3］Guo Ruhai，Shi Long，Wang Siwen，et al．Development review of HF/DF chemical lasers［J］．OME Information，2010，27(3):30 －35．(in Chinese)

郭汝海，施龍，王思雯，等．HF/DF化學(xué)激光器的研究進(jìn)展［J］．光機(jī)電信息，2010，27(3):30 －35．

［4］C K N Patel，P K Tien，I H McFee．CW high power N2+CO2+He laser［J］．Appl．Phys．Lett，1965，7:290 －292．

［5］E F Plinski，K M Abramski．“DC-Excited Continuous-Wave Conventional and RF-Excited Waveguide CO2Lasers”in Gas Lasers［M］．New York:CRC Press，2007:239－286．

［6］A E Hill．“High-Power Electric CO2Lasers”in Gas Lasers［M］．New York:CRC Press，2007:287 －340．

［7］D L Carroll．Overview of High Energy Lasers:Past，Present，and Future? ［C］．42nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference，Hawaii．2011，3102:1 －21．

［8］W Duncan，M Holloman，B Rogers，et al．Recent Progress in Hydrogen Fluoride Overtone Chemical Lasers［C］．AIAA Paper，1991 －1480．

［9］A A Ionin．“Electric Discharge CO Lasers”in Gas Lasers［M］．New York:CRC Press，2007:201－237．

［10］ Luo Wei，Yuan Shengfu，Lu Qisheng．Research development of small scale discharge driven continuous-wave HF/DF chemical laser［J］．Laser ＆ Infrared，2011，41(4):371 －375．(in Chinese)羅威，袁圣付，陸啟生．小型電激勵(lì)連續(xù)波HF/DF化學(xué)激光器研究進(jìn)展［J］．激光與紅外，2011，41(4):371－375．

［11］ N G Basov，A S Bashkin，V I Igoshin，et al．Chemical lasers［M］．Berlin:Springer-Verlag，1990．

［12］ K L Kompa，G C Pimentel．Hydrofluoric Acid Chemical Laser［J］．J．Chem．Phys．，1967，47:857 －858．

［13］ D J Spencer，T A Jacobs，H Mirels，et al．Continuous-Wave Chemical Laser［J］．Int．J．Chem．Kinet．，1969，1:493－494．

［14］ Sang Fengting，Zhou Dazheng，Jin Yuqi，et al．Chemical Lasers［M］．Beijing:Chemical Industry Press．2001:103 －105．(in Chinese)

桑鳳亭，周大正，金玉奇 等．化學(xué)激光［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社．2001:103－105．

［15］ J R Albertine．Recent High Energy Laser System Tests U-sing the MIRACL/SLBD［C］．Proc of SPIE，1993，1871:229－239．

［16］ J A Horkovich，P J Pomphrey．Recent Advances in the Alpha High Power Chemical Laser Program［C］．AIAA 28th Plasmadynamics and Lasers Conference，1997，1 －24．

［17］ J Shwartz，J Nugent，D Card，et al．Tactical high energy laser［J］．J．Directed Energy，2003，1:35 －47．

［18］ U．S．Army selects Northrop Grumman Design Concept for Mobile High-Energy Laser Weapon for Tactical Missle Defense［N/OL］．［2003 － 08 － 21］．http://www．capital．northgrum．com/contracts/ngcontr082103．html

［19］ W McDermott，N Pchelkin，D Benard，et al．An Electronic Transition Chemical Laser［J］．Appl．Phys．Lett．，1978，32:469－470．

［20］ K Truesdell，S Lamberson，G Hager．Phillips Laboratory COIL Technology Overview ［C］．AIAA Paper，1992－3003．

［21］ J Kodymova．Overview on the chemical oxygen-iodine laser technology［C］．Proc of SPIE，2007，6346．

［22］ M Endo．Chemical Oxygen-Iodine Laser:Recent Advances as a Chemical Device［J］．Russ．J．Phys．Chem．A，2007，81(9):1497－1501．

［23］ W Shi，L Deng，H Yang，et al．Preliminary study of a centrifugal-flow singlet oxygen generator［J］．Quant．Elect．，2008，38(2)199 －203．

［24］ D M King，D L Carroll，T F Field，et al．Performance of a multi-stream injection COIL with starlet ejectors［C］．AIAA Paper，2010 －4754．

［25］ J Skillings．Laser gunship hits moving ground target［N］．CNET News，13 Oct．2009．

［26］ J Skillings．Airborne Laser zaps in-flight missile［N］．CNET News，12 Feb．2010．

［27］ Ren Guoguang，Huang Yunian．Developments and challenges for American high-energy laser weapons(Part 2)［J］．Laser Technology，2001，25(5):321 －327．(in Chinese)

任國(guó)光，黃裕年．美國(guó)高能激光武器的發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)(下篇)［J］．激光技術(shù)，2001，25(5):321 －327．

［28］ M Endo，T Nakamura，T Masuda，et al．Theoretical and Experimental Studies of the All Gas-Phase Iodine Laser［J］．Russian Journal of Physical Chemistry A，2009，83(9):1452－1456．

［29］ J W Zimmerman，G F Benavides，B S Woodard，et al．E-lectric Oxygen-Iodine Laser Performance Enhancement using Larger Discharge and Resonator Mode Volumes［C］．AIAA Paper，2010 －5038．

［30］ J M J Madey．Stimulated Emission of Bremsstrahlung in a Periodic Magnetic Field［J］．J．Appl．Phys．，1971，42(5):1906－1913．

［31］ H P Freund，T M Antonsen．Principles of Free-Electron Lasers［M］．London:Chapman ＆ Hall，1992．

［32］ A M M Todd．High-power free-electron laser concepts and applications［C］．Proc of SPIE，2000，3931:234．

［33］ P Sprangle，B Hafizi，J R Penano．Design of a Compact，Optically Guided，Pinched，Megawatt Class Free-Electron Laser［J］．IEEE J．Quant．Elect．，2004，40(12):1739－1743．

［34］ S Benson，K Beard，G Biallas，et al．High Power Operation of the JLAB IR FEL Driver Accelerator［C］．IEEE Proc．Particle Accel．Conf．，2007，79 －81．

［35］ T Y Fan，R L Byer．Diode Laser-Pumped Solid-State Lasers［J］．IEEE J．Quant．Elect．，1988，24(6):895 －912．

［36］ G D Goodno，S Palese，J Harkenrider，et al．Yb:YAG power oscillator with high brightness and linear polarization［J］．Opt．Lett．，2001，26(21):1672 －1674．

［37］ G D Goodno，H Komine，S J McNaught，et al．Coherent combination of high-power，zigzag slab lasers［J］．Opt．Lett．，2006，31(9):1247 －1249．

［38］ G D Goodno，C P Asman，J Anderegg，et al．Brightness-Scaling Potential of Actively Phase-Locked Solid-State Laser Arrays［J］．IEEE J．Select．Topics Quant．Elect．，2007，13(3):460 －472．

［39］ S J McNaught，C P Asman，H Injeyan，et al．100-kW Coherently Combined Nd∶YAG MOPA Laser Array［C］．Optical Society of America，2009．

［40］ A Giesen，H Hügel，A Voss，et al．Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers［J］．Appl．Phys．B，1994，58:365 －372．

［41］ A Giesen，J Speiser．Fifteen years of work on thin-disk lasers:results and scaling laws［J］．IEEE J．Sel．Top．Quant．Electr．，2007，13(3):598 －609．

［42］ C Keyes．Navy successfully tests prototype ocean-going laser weapon［N/OL］．［2011 － 04 － 14］．http://www．CNN．com．

［43］ E Snitzer．Proposed Fiber Cavities for Optical Maasers［J］．J．Appl．Phys．，1961，32(1):36 －39．

［44］ C J Koester，E Snitzer．Amplification in a Fiber Laser［J］．Appl．Opt．，1964，3(10):1182 －1186．

［45］ V Gapontsev，W Krupke．Fiber lasers grow in power［J］．Laser Focus World，2002，8:83 －87．

［46］ J Anderegg，S Brosnan，E Cheung，et al．Coherently Coupled High Power Fiber Arrays［C］．Proc of SPIE，2006，6102．

［47］ R A Motes，R W Berdine．Introduction to High Power Fiber Lasers［C］．Directed Energy Professional Society，Albuquerque，2006．

［48］ IPG Photonics．High Power Fiber Lasers for Industrial Applications［N/OL］．http://www．ipgphotonics．com/Collateral/Documents/English-US/HP_Brochure．pdf．

［49］ R G Smith．Optical power handling capacity of lowloss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering ［J］．Appl．Opt．，1972，11(11):2489－2494．

［50］ J W Dawson，M J Messerly，R J Beach，et al．Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power［J］．Opt．Express，2008，16(17):13240－13266．

［51］ J E Rothenberg，G D Goodno．Advances and Limitations in Beam Combination of Kilowatt Fiber Amplifiers［C］．Proc of SPIE，2010，7686．

［52］ P Sprangle，A Ting，J Penano，et al．Incoherent Combining and Atmospheric Propagation of High-Power Fiber Lasers for Directed-Energy Applications［J］．IEEE J．Quant．Elect．，2009，45(2):138 －148．

［53］ J T Schriempf，B J Hankla．Navy Laser Weapon System(LaWS)prototype development and testing［C］．Proc of SPIE Photonics West-LASE，2011，San Francisco．

［54］ W F Krupke，R J Beach，V K Kanz，et al．Resonance transition 795 － nm rubidium laser［J］．Opt．Lett．，2003，28(23):2336－2338．

［55］ A V Bogachev，S G Garanin，A M Dudov，et al．Diodepumped caesium vapor laser with closed-cycle laser-active medium circulation［J］．Quantum Electron，2012，42(2):95－98．

［56］ W F Krupke，R J Beach，C K Kanz，et al．DPAL:A new class of CW，near-infrared，high-power diode-pumped alkali(vapor)lasers［C］．Proc of SPIE，2004，5334．

［57］ Yang Zining．Study on Diode Pumped Rubidium Vapor Lasers［D］．Changsha:National University of Defense Technology，2012．(in Chinese)

楊子寧．半導(dǎo)體泵浦銣蒸汽激光器研究［D］．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2012．