任國光,伊煒偉,屈長(zhǎng)虹

(中國久遠(yuǎn)高新技術(shù)裝備公司,北京 100094)

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·綜述與評(píng)論·

高功率光纖激光器及其在戰(zhàn)術(shù)激光武器中的應(yīng)用

任國光,伊煒偉,屈長(zhǎng)虹

(中國久遠(yuǎn)高新技術(shù)裝備公司,北京 100094)

作為目前世界上最先進(jìn)的固體激光器——光纖激光器具有無以倫比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)激光武器。本文評(píng)述和分析了高功率光纖激光器的特點(diǎn)、最新進(jìn)展，光束合成技術(shù)和光學(xué)相控陣，以及它們?cè)趹?zhàn)術(shù)激光武器中的應(yīng)用。

戰(zhàn)術(shù)激光武器;高功率光纖激光器;光束合成技術(shù);光學(xué)相控陣

1 引 言

自21世紀(jì)初,美國軍方將高能激光武器的重點(diǎn)從化學(xué)激光器轉(zhuǎn)向電激光器，特別是高功率固體激光器(HPSSL)以來，HPSSL在功率定標(biāo)、光束質(zhì)量、熱管理和小型化等方面都取得了重大進(jìn)展。在美國三軍的聯(lián)合高功率固體激光器計(jì)劃中，曾大力開發(fā)100 kW SSL，用于執(zhí)行短程防空、反導(dǎo)、軍艦自衛(wèi)和機(jī)載平臺(tái)的精確打擊任務(wù)。計(jì)劃的重點(diǎn)是研制100 kW晶體和陶瓷板條激光器[1-2]。2009年,美國已研制成功107 kW的HPSSL，并成功進(jìn)行了外場(chǎng)演示論證試驗(yàn)，但這些激光器由于尺寸、重量和功耗(SWaP)問題，使其難于集成進(jìn)對(duì)尺寸和重量敏感的戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)。為使激光器小型輕量化，美國軍方也正在研發(fā)光纖激光器、薄片激光器和高能液體激光器[3]。另外作為機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)武器，激光武器的堅(jiān)固性也是下一步的挑戰(zhàn)[4]。

戰(zhàn)場(chǎng)用高功率激光器，其轉(zhuǎn)換效率決定了SWaP，而激光的束質(zhì)和大氣傳輸決定了激光武器的殺傷力。在過去10年里，光纖激光器技術(shù)迅速提高，在堅(jiān)固的“全光纖”體系結(jié)構(gòu)里實(shí)現(xiàn)了高功率運(yùn)行。不僅電-光轉(zhuǎn)換效率高(30%～35%)，而且光束質(zhì)量達(dá)到了近衍射極限。從目前的技術(shù)來看，戰(zhàn)術(shù)激光武器的100 kW軍用基準(zhǔn)輸出功率，可以通過光纖激光器的途徑實(shí)現(xiàn)。與板條和薄片激光器相比，光纖激光器有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，為了盡快使激光武器走上戰(zhàn)場(chǎng)，幾年來許多國家都把戰(zhàn)術(shù)激光武器的研發(fā)轉(zhuǎn)向了光纖激光器，特別是美國和德國正在研發(fā)和試驗(yàn)多種數(shù)萬瓦的光纖激光武器樣機(jī)。2014年8月,美國海軍已把高能激光武器系統(tǒng)部署在波斯灣的“龐塞”號(hào)軍艦上，主要用于對(duì)付無人機(jī)和小型快艇的威脅[5]，而在這一地區(qū)，美國的軍艦經(jīng)常受到伊朗無人機(jī)和小型快艇的“騷擾”。

2 高功率光纖激光器

作為目前世界上最先進(jìn)的固體激光器——光纖激光器具有無以倫比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與板條和薄片固體激光器相比，光纖激光器在效率、束質(zhì)、體積、重量、堅(jiān)固性和冷卻方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前看來，光纖激光器通過大量的外場(chǎng)試驗(yàn)證明，它將成為戰(zhàn)術(shù)激光武器的主要光源之一。

2.1 光纖激光器的主要特點(diǎn)

效率高——摻鐿光纖量子數(shù)虧損(抽運(yùn)光子與輸出光子的能量差)僅為6%，且共振腔和傳輸損耗小，導(dǎo)致效率可達(dá)30%以上，若采用超高效率二極管源，則效率可高達(dá)42%～48%。

散熱特性好——固體激光器功率定標(biāo)的主要障礙在于激光介質(zhì)的熱效應(yīng)引起的光束質(zhì)量和效率下降，而光纖的細(xì)長(zhǎng)一維結(jié)構(gòu)使表面積/體積比很大，這樣冷卻就更加有效和簡(jiǎn)便，并消除了熱透鏡。

光束質(zhì)量好——輸出光束質(zhì)量可達(dá)近衍射極限，這首先取決于它的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),通過連續(xù)的導(dǎo)引能很好地控制信號(hào)的空間分布，從而獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。其次由于抽運(yùn)光波長(zhǎng)非常接近發(fā)射光波長(zhǎng)，因此降低了熱效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕——光纖激光器沒有昂貴的折軸光學(xué)系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。光纖柔軟細(xì)長(zhǎng)，可以盤繞，使用靈活。

堅(jiān)固性好——由于是全光纖系統(tǒng)，沒用對(duì)準(zhǔn)直敏感的自由空間光學(xué)元件，所以光纖激光器很堅(jiān)固，可靠性高。能工作在極端的溫度、振動(dòng)和沖擊這樣的惡劣作戰(zhàn)環(huán)境中。

2.2 高功率光纖激光器的進(jìn)展

近年來，對(duì)雙包層連續(xù)波摻鐿光纖激光器的功率定標(biāo)、光束合成、熱管理和部件開發(fā)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2.2.1 單模光纖激光器

目前，世界上最高功率的單模光纖激光器是美國IPG光子公司生產(chǎn)的10 kW光纖激光器。它除了有廣泛的民用外，也被軍方大量采購用作戰(zhàn)術(shù)激光武器的基本模塊。目前正在開發(fā)和試驗(yàn)中的戰(zhàn)術(shù)激光武器大多都使用了IPG公司的這款產(chǎn)品。

高亮度高功率抽運(yùn)模塊是研發(fā)高功率光纖激光器的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的光纖激光器都是直接利用二極管激光器抽運(yùn)，但受到二極管亮度的限制，致使高功率摻鐿光纖激光器的輸出一直限制在千瓦級(jí)水平。要使摻鐿光纖激光器獲得更高的輸出功率，關(guān)鍵在于采用更高亮度的抽運(yùn)源，比如1.018 μm的摻鐿光纖激光器，它的亮度要比0.975 μm的二極管激光器高100倍[6]。

2009年6月，IPG公司研發(fā)了10 kW的連續(xù)波單模光纖激光器，它采用MOPA結(jié)構(gòu)，主振蕩器輸出1 kW的光束，放大級(jí)是一根纖芯為30 μm，長(zhǎng)15 m的摻鐿光纖。它由45個(gè)波長(zhǎng)1.018 μm的300 W光纖激光器抽運(yùn)，最后得到的輸出功率超過10 kW。光束質(zhì)量M2<1.3，系統(tǒng)的功耗50 kW，外形尺寸1.5 m×1.5 m×0.8 m，其大小如兩臺(tái)電冰箱。

2013年,IPG公司又推出了新一代的10 kW光纖激光器，與以前的激光器相比，插頭效率從28%～30%提高到33%，光束質(zhì)量提高了兩倍，平均無故障運(yùn)行時(shí)間從1～1.5年提高到了3年。

IPG公司曾有計(jì)劃進(jìn)一步提高單模光纖激光器的輸出功率，他們表示雖然輸出功率達(dá)到15 kW或者20 kW將會(huì)非常困難，但是他們希望在近期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但是至今我們還沒有看到有什么進(jìn)展。從目前的技術(shù)來看，由于非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)和光學(xué)損傷，可能將單模光纖激光器的功率限制在10 kW。

2.2.2 單偏單模光纖激光器

單偏光纖是一種特殊的光纖，光只能由某一個(gè)線性偏振方向傳輸，而不能由其他偏振方向傳輸，或者至少要遭受巨大的光學(xué)損耗。雖然非偏振光纖激光器已產(chǎn)生了很高的功率，然而由于光纖設(shè)計(jì)、抽運(yùn)耦合、結(jié)構(gòu)等原因，使偏振輸出的功率要低得多，而且它對(duì)限制功率定標(biāo)的非線性效應(yīng)也更加敏感。但偏振輸出在眾多的應(yīng)用中非常重要，例如非線性波長(zhǎng)變換、軍事等，這種單偏光纖激光器非常適合用于通過相干合成產(chǎn)生更高功率的激光器。

美國的高功率光纖激光器計(jì)劃有兩項(xiàng)任務(wù)，第一開發(fā)和演示1 kW的單模單偏光纖激光器；第二通過光束合成將多個(gè)光纖激光器在近期獲得10 kW，在遠(yuǎn)期獲得100 kW的輸出功率[7]。

在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的支助下，英國南安普頓大學(xué)在2005年演示了偏振的單模光纖激光器，產(chǎn)生了633 W的偏振輸出，光束質(zhì)量M2<1.2，波長(zhǎng)1.1 μm，線寬10 nm，斜率效率67%，偏振消光比大于16 dB[8]。激光器的心臟是長(zhǎng)6.5 m 的雙折射大口徑(D=25 mm)雙包層摻鐿光纖，它由兩個(gè)975 nm的激光二極管疊層從兩端抽運(yùn)，但只有60%的抽運(yùn)功率進(jìn)入了光纖，激光器的輸出功率僅受限于進(jìn)入光纖的抽運(yùn)功率。在最大功率時(shí)，基模的功率密度是1.3 W/μm2，這表明這種光纖還有提升輸出功率的空間。如果能獲得足夠的抽運(yùn)功率，激光器的輸出功率可超過1 kW。但幾年來我們并未發(fā)現(xiàn)南開普敦大學(xué)在功率定標(biāo)上取得什么進(jìn)展。

通常大模面積光纖激光器采用自由空間的偏振元件獲得線偏振輸出，然而這個(gè)外加元件，嚴(yán)重地限制了激光器的功率提升和堅(jiān)固性。在美國空軍的支助下，密執(zhí)安大學(xué)的C.Lin等人研發(fā)了全光纖的高功率單偏單模光纖激光器，單偏輸出功率達(dá)405 W，偏振消光比大于19 dB，窄帶寬1.9 nm FWHW，光束質(zhì)量M2<1.1[9]。據(jù)分析采用這種設(shè)計(jì)輸出功率還可提高到1 kW以上，這對(duì)利用相干和光譜合成將光纖激光器輸出功率定標(biāo)到10 kW以上非常具有吸引力。

IPG公司的YLR-LR系列產(chǎn)品代表了革命性的新一代單模線偏振連續(xù)波摻鐿光纖激光器系統(tǒng)，它具有獨(dú)特的高功率光束合成，近衍射極限的束質(zhì)、光纖傳送和高的插頭效率。其主要性能是：

平均輸出功率10～500 W

線偏振(偏振消光比>17 dB)

波長(zhǎng)范圍1060～1080 nm 插頭效率>20%

光束質(zhì)量M2<1.1 采用空氣或水冷

2.2.3 多模光纖激光器

大功率的多模光纖激光器需要將多個(gè)光纖激光器輸出的光束合成為單一的光束，隨著輸出功率的增加，將引起光束質(zhì)量的快速下降，IPG公司也出售輸出功率為50 kW的多模光纖激光器，它采用非相干合成的空間并束方法，將許多1.1 kW的光纖激光器模塊輸出的光束傾斜耦合進(jìn)大芯徑多模光纖(纖芯直徑200 μm，長(zhǎng)25 m)中疊加起來。光束質(zhì)量M2=33，電-光效率30%，功耗170 kW，重3000 kg，大小如三臺(tái)電冰箱。

2013年,IPG公司又出售了工業(yè)用100 kW的光纖激光器，它由90個(gè)功率為1.4 kW、光束質(zhì)量M2=1.05的激光器模塊，通過兩級(jí)非相干合成器，最后產(chǎn)生了101.3 kW的單一光束，插頭效率35.4%，功耗286 kW，光束參量積16mm·mrad，外形尺寸1.86 m×3.6 m×0.8m，重3600 kg。

3 高功率光纖激光器的光束合成

光纖激光器的功率受限于非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)和光學(xué)損傷。非線性效應(yīng)是光纖的一個(gè)固有限制，其中最主要的是受激布里淵散射，它將光散射到相反的方向，因此限制了最高的輸出功率。當(dāng)激光的帶寬集中在小于布里淵帶寬的范圍內(nèi)時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)非常強(qiáng)。另外當(dāng)光束的功率密度升高后，熱效應(yīng)和表面損傷也將限制輸出功率的進(jìn)一步提高。因此要獲得激光武器所需功率的主要途徑是將大量的光纖激光束合成為單一的高功率、高束質(zhì)光束。

光束合成技術(shù)的研究正在快速發(fā)展，目前許多光束合成的概念是基于光束的非相干合成、光譜合成和相干合成。這三種主要的合成方法都具有各自的特點(diǎn)，每種方法都可能找到其獨(dú)特的應(yīng)用。相干合成具有最佳的性能，特別適用于激光武器系統(tǒng)，但技術(shù)最為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。對(duì)許多應(yīng)用來說，光譜合成更易實(shí)現(xiàn)，但產(chǎn)生的光譜較寬，比較適合對(duì)光譜亮度要求不太高的應(yīng)用。而非相干合成的體系結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，迄今非相干合成技術(shù)仍保持著光纖激光器最高輸出功率的記錄，并正用于戰(zhàn)術(shù)激光武器的研發(fā)之中。但非相干合成的光束質(zhì)量差，所有只適合用于戰(zhàn)術(shù)近程防御。

3.1 非相干合成技術(shù)及其在激光武器中的應(yīng)用

3.1.1 非相干合成技術(shù)

非相干合成是最簡(jiǎn)單的光束合成技術(shù)，它只需將多個(gè)光纖激光器平行地捆扎在一起，沿同一方向引導(dǎo)這些激光器的輸出光束，就能使他們?cè)诳臻g疊加在一起，從而增加了總功率，但不能提高合成光束的亮度，而且光束質(zhì)量差。最典型的例子就是IPG公司的50 kW多模光纖激光器，它將多個(gè)光纖激光器輸出的光纖平行地耦合進(jìn)大芯徑的多模光纖中獲得了高功率的單一光束，但光束質(zhì)量M2=33。

非相干合成不需要鎖相或鎖偏，也不需要各個(gè)激光器具有非常窄的帶寬，所以商用單模光纖激光器非常適用于非相干合成。而且采用IPG公司生產(chǎn)的10 kW單模光纖激光器，能夠比較容易地定標(biāo)到戰(zhàn)術(shù)激光武器所需的功率，從而獲得高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊堅(jiān)固和低維護(hù)的高能激光武器系統(tǒng)。目前美國和德國的各大軍火商采用各自的非相干合成方法，為軍方研發(fā)成功了多種數(shù)萬瓦的光纖激光武器樣機(jī)。然而眾所周知，表征激光武器殺傷力的物理量-激光靶斑的亮度取決于激光器的光束質(zhì)量和大氣傳輸中的湍流效應(yīng)，而非相干合成光束的質(zhì)量差，這就限制了激光的射程。

3.1.2 采用非相干合成的激光武器樣機(jī)

(1)雷神公司為美國海軍研制并演示了激光武器系統(tǒng)(LaWS)，LaWS的主要作戰(zhàn)目標(biāo)是無人機(jī)、光電傳感器、用于情報(bào)監(jiān)視和偵查的傳感器和探測(cè)器，以及小型快艇。它可以提供從警告到摧毀的分級(jí)打擊能力，從而能夠調(diào)節(jié)對(duì)目標(biāo)的殺傷力。LaWS采用了分孔徑設(shè)計(jì)方式與非相干合成途徑，它使用了六個(gè)5.5 kW的IPG標(biāo)準(zhǔn)單模光纖激光器模塊，通過幾何光束耦合方式合成為一束功率為33 kW，束質(zhì)M2=17的高功率激光，其電-光轉(zhuǎn)換效率為25%,其原理如圖1所示。在2009年的試驗(yàn)中，LaWS在3.2 km的距離擊落過5架時(shí)速480 km的無人機(jī)。而在2012年的試驗(yàn)中，LaWS又從杜威號(hào)驅(qū)逐艦甲板上擊落了1 km距離處的三架無人機(jī)。試驗(yàn)中系統(tǒng)的性能超過了預(yù)期，它能在苛刻的近程大氣環(huán)境中工作。海軍計(jì)劃采用10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器模塊，在2016年演示一臺(tái)100～150 kW的先進(jìn)激光武器樣機(jī)[10]。

2014年8月，美國海軍將33 kW光纖激光武器樣機(jī)的改進(jìn)型部署在波斯灣的“龐塞號(hào)”軍艦上，這是美國海軍部署的第一臺(tái)作戰(zhàn)激光武器。在9～11月的初期試驗(yàn)中，它擊落了一架掃描鷹無人機(jī)和摧毀了一些其他的海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)[11]。

圖1 海軍研究實(shí)驗(yàn)室的非相干合成示意圖

(2)在德國聯(lián)邦國防部和歐洲防務(wù)局的支助下，歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)(MBDA)德國分公司2012年開發(fā)出40 kW光纖激光武器樣機(jī)，并在演示試驗(yàn)中僅用幾秒鐘就摧毀了2 km遠(yuǎn)的迫擊炮彈。40 kW的系統(tǒng)由四個(gè)IPG公司生產(chǎn)的10 kW單模光纖激光器模塊構(gòu)成，通過幾何光束耦合技術(shù)，將多個(gè)激光束和光束觀測(cè)通道排列成平行光路，使用一個(gè)公用的聚焦光學(xué)元件作為光束定向器，將平行的激光束集中發(fā)射到目標(biāo)的同一焦點(diǎn)上進(jìn)行疊加。這臺(tái)激光武器樣機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊和光學(xué)系統(tǒng)輕質(zhì)比，樣機(jī)能集成進(jìn)一個(gè)可運(yùn)輸?shù)募b箱內(nèi)。經(jīng)過一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)證明，這臺(tái)40 kW的光纖激光器具有優(yōu)良的束質(zhì)、增益高、損耗小、電-光轉(zhuǎn)換效率較高，具備了對(duì)公里級(jí)小尺寸目標(biāo)的打擊能力[12]。

按照相似的體系結(jié)構(gòu)，MBDA正在將8臺(tái)10 kW的單模光纖激光器，通過幾何光束耦合疊加，成為80 kW的激光武器系統(tǒng)。采用由一個(gè)大的主鏡和一個(gè)小的次鏡組成的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)主鏡直徑為80 cm時(shí)，含有8個(gè)激光束通道，激光束通道的子孔徑尺寸為20 cm，利用現(xiàn)有的10 kW單模光纖激光器就可以實(shí)現(xiàn)總輸出功率為80 kW的高能激光武器[13]。

(3)在歐洲，德國萊茵公司首次在三種不同的車載平臺(tái)上裝備了高能光纖激光器，他們是M113裝甲運(yùn)輸車上的1 kW光纖激光器，GTK拳擊手裝甲運(yùn)輸車上的5～10 kW光纖激光器，以及在Tatra防御卡車上搭載的一套集裝箱式的20 kW光纖激光器[14]。它們的作戰(zhàn)目標(biāo)分別是火箭彈、迫擊炮彈、無人機(jī)和簡(jiǎn)易爆炸裝置。2012年，萊茵公司又研發(fā)了一臺(tái)50 kW的激光武器樣機(jī)，它采用光束疊加技術(shù)和激光武器模塊化設(shè)計(jì)，用五個(gè)10 kW的激光武器模塊合成后獲得50 kW的激光輸出。萊茵公司開發(fā)的激光武器模塊包括一臺(tái)10 kW的光纖激光器和一個(gè)光學(xué)成形部件，能夠提供具有近衍射極限的光束焦斑，對(duì)目標(biāo)的高清成像和精跟蹤。高能激光器采用10 kW的高束質(zhì)工業(yè)光纖激光器，光束成形部件主要包括跟蹤和瞄準(zhǔn)裝置，以及將光束聚焦到靶上的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。在2012年12月的外場(chǎng)試驗(yàn)中，只使用了30 kW的武器系統(tǒng)，在3 km處探測(cè)到無人機(jī)，在2 km處僅用2～3 s就將無人機(jī)摧毀。試驗(yàn)還證明50 kW激光武器樣機(jī)在惡劣的天氣條件下，如雨、雪、冰和烈日的天氣情況下也能與目標(biāo)交戰(zhàn)[15]。

萊茵公司的光束疊加技術(shù)采用的方法是每個(gè)激光器模塊都有單獨(dú)的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，將各自的激光束發(fā)射并聚焦在同一靶斑上。其實(shí)所謂的光束疊加技術(shù)，實(shí)際上就是用多臺(tái)激光武器同時(shí)使多束激光以重疊、累積的方式照射同一目標(biāo)。對(duì)于光束疊加技術(shù)，萊茵公司已完成了有關(guān)跟蹤能力和大氣補(bǔ)償試驗(yàn)。由于光束成形部件的跟蹤系統(tǒng)跟蹤了來自目標(biāo)的反射光，這大大降低了大氣湍流的影響，因此一次和二次失效模式(波前傾斜)被光學(xué)成形部件同時(shí)補(bǔ)償了。

3.2 光譜合成技術(shù)及其在激光武器中的應(yīng)用

3.2.1 光譜合成技術(shù)

光譜合成(也稱波長(zhǎng)合成)雖然也屬于非相干合成，但它能獲得高束質(zhì)的高功率光束，因此得到了廣泛的應(yīng)用。光譜合成是將多個(gè)波長(zhǎng)稍有不同的激光束，通過色散元件使其在近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)空間疊加，從而提高合成光束的總輸出功率，并具有優(yōu)良的光束質(zhì)量,如圖2所示。光纖激光器的光譜合成為功率定標(biāo)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，它利用寬的增益帶寬能使大量的光纖激光器實(shí)現(xiàn)近衍射極限束質(zhì)的合成。光譜合成不需鎖相較易實(shí)現(xiàn)，但用于合成的各激光束必須具有稍許不同的波長(zhǎng)，同時(shí)為了在有限的光譜帶寬內(nèi)對(duì)多個(gè)激光器進(jìn)行光譜合成，各激光束的帶寬必須相當(dāng)窄。寬帶寬的光纖激光器面臨兩個(gè)難題：首先只有極少的光纖激光器處在鐿的發(fā)射譜范圍內(nèi)，其次從衍射光柵反射的光束束質(zhì)將隨帶寬的增寬而下降，這會(huì)大大降低遠(yuǎn)程目標(biāo)上的亮度。因此各種商用高功率單模光纖激光器，顯然不能用于光譜合成。尤其是商用10 kW功率級(jí)的單模光纖激光器。

圖2 光譜合成示意圖

光譜合成的關(guān)鍵是選好色散元件。由于光柵具有高的衍射效率，因而它是用于光譜合成的主要器件。然而一般光柵損耗較大，而且在高功率輸出情況下熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵變形，從而降低合成效率。因此通常不能應(yīng)用于需要高功率高束質(zhì)的先進(jìn)材料加工、科學(xué)研究和某些軍事領(lǐng)域。最近美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)等三個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)了能使光譜合成應(yīng)用于高功率的“極高功率超低損耗色散元件”(EXUDE)[16]，在它之前，光譜合成系統(tǒng)的輸出功率受到光束合成器最低功率損耗的限制。EXUDE集改善的光學(xué)涂層、新穎的表面間隙光柵結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新的制造和加工技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了電-光效率高、近衍射極限的數(shù)千瓦光譜合成激光系統(tǒng)。LLNL設(shè)計(jì)和制造了表面間隙光柵結(jié)構(gòu)，它被嵌在由多層高折射率和低折射率材料相間構(gòu)成的組件頂部，以提供最大的衍射效率。先進(jìn)薄膜公司為這個(gè)組件制造了超低損耗的多層介質(zhì)薄膜，它能相疊超過100層的薄膜以實(shí)現(xiàn)超低損耗、高的衍射效率和寬的帶寬。

3.2.2 采用光譜合成的激光武器樣機(jī)

為了保護(hù)前線作戰(zhàn)基地重要的高價(jià)值區(qū)域免遭火箭彈、迫擊炮彈和無人機(jī)的攻擊，洛馬公司為陸軍研發(fā)并在2014年1月演示了一臺(tái)30 kW的光纖激光武器樣機(jī)，達(dá)到了迄今為止同時(shí)具有優(yōu)良束質(zhì)和高電-光轉(zhuǎn)換效率的最高輸出功率，而且所消耗的電能僅是其他固體激光器的50%[17]。它利用EXUDE光譜合成器將眾多的1 kW光纖激光器模塊，合成為具有近衍射極限的單一30 kW光束，合成效率超過90%。即使在這樣高的功率下，EXUDE光學(xué)部件仍保持了非常高的效率和光束質(zhì)量。從2014年4月洛馬公司又開始為陸軍研發(fā)一臺(tái)60 kW的車載光纖激光武器樣機(jī)，并要將它集成進(jìn)陸軍的高能激光機(jī)動(dòng)演示器(HEL MD)[18]。洛馬公司采用的技術(shù)路線是另外開發(fā)和集成2 kW的光纖激光器模塊，再通過光譜合成器將多個(gè)模塊的輸出光束合成為60 kW的單一激光束。技術(shù)重點(diǎn)是提高激光器的效率和產(chǎn)生質(zhì)量非常高的光束，以此增大激光的射程或縮短交戰(zhàn)時(shí)間。

3.3 相干合成技術(shù)與光學(xué)相控陣

3.3.1 相干合成技術(shù)

相干合成是將多個(gè)波長(zhǎng)完全相同的激光束，通過相位控制使各光束的振幅同相位疊加，從而產(chǎn)生高功率、高亮度和高束質(zhì)的單一激光束。它的主要特點(diǎn)是不僅提高了合成光束的總功率，而且也提高了光束的亮度。如果子孔徑的直徑相同，采用相干合成在軸上的遠(yuǎn)場(chǎng)亮度是單個(gè)激光束亮度的N2倍，是非相干合成光束亮度的N倍[19]。同時(shí)它能進(jìn)行相位調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)光束定向控制和大氣補(bǔ)償。從理論上講它是具有最佳性能的光束合成方法，但技術(shù)復(fù)雜，目前較難實(shí)現(xiàn)。

目前采用相干合成已獲得了千瓦級(jí)的光纖激光器。據(jù)報(bào)道S.J.McNanght等人在最近進(jìn)行的三光纖樣機(jī)試驗(yàn)中，用3 kW的輸入功率獲得了近衍射極限的2.4 kW光束，合成效率與光纖激光器的功率無關(guān)。試驗(yàn)證明對(duì)于千瓦的功率并不存在非線性或熱效應(yīng)的限制，這就表明能提高每個(gè)光纖激光器的功率。他們認(rèn)為利用二維陳列和衍射光柵元件的幾何結(jié)構(gòu)，可以將相干合成的光纖功率定標(biāo)到100 kW[20]。美國空軍實(shí)驗(yàn)室最近利用稱為光學(xué)相干鎖定的專利技術(shù)，將16個(gè)窄線寬的90 W光纖激光器排列成二維4×4的激光陣列，相干合成為1.45 kW的單一激光束。這個(gè)方法具有高工作帶寬和低相位誤差的特點(diǎn)[21]。

相干合成需要單束激光具備特殊的屬性，為獲得高效的相干合成，各單束激光必須具有完全相同的波長(zhǎng)、精確的相位控制、較窄的激光線寬和均勻的偏振特性[22]。在這些前提下，各種商用高功率單模光纖激光器，顯然也不能用于相干合成，尤其是商用10 kW功率級(jí)的單模光纖激光器，其光譜帶寬相當(dāng)寬(10～15 nm)。光束相干合成需要緊密匹配多個(gè)光纖放大器的光程長(zhǎng)度，對(duì)于寬帶寬系統(tǒng)來說，微米級(jí)的光程長(zhǎng)度匹配，需要利用長(zhǎng)度可調(diào)的光學(xué)波導(dǎo)節(jié)或壓電延伸器，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以空軍實(shí)驗(yàn)室正積極地研究窄帶寬光纖放大器的功率定標(biāo)問題。

3.3.2 光學(xué)相控陣

現(xiàn)有的高能激光系統(tǒng)受SWaP的限制，無法集成進(jìn)許多軍用平臺(tái)，即使這些限制能夠克服，但大氣湍流也將增大激光打在靶上的尺寸，從而限制激光在靶上的亮度和遠(yuǎn)程殺傷力。美國陸軍正在尋求用一種常規(guī)的光學(xué)部件，使高能激光器盡快用于軍事。美國DARPA與合伙人奧普托尼庫斯公司最近研發(fā)、建造、演示和交付了世界上第一臺(tái)自適應(yīng)相位相干光纖激光器陣列系統(tǒng)，這是一個(gè)21單元的光學(xué)相控陣系統(tǒng)，它提高了激光武器的性能[23]。圖3給出了光學(xué)相控陣系統(tǒng)。這項(xiàng)稱為“亞瑟王之劍”計(jì)劃的總目標(biāo)是開發(fā)相干光學(xué)相控陣技術(shù)，并將它定標(biāo)到100 kW級(jí)的激光武器系統(tǒng)。

圖3 陸軍的光學(xué)相控陣

光纖激光器光學(xué)相控陣系統(tǒng)，包括鎖相和多通道(7和19)光束合成，以及光纖激光器子孔徑陣列。它由三個(gè)相同的部件組成，每個(gè)部件包含了七個(gè)緊密封裝的光纖激光器，每個(gè)部件的直徑僅為10 cm。該系統(tǒng)具有高的電-光轉(zhuǎn)換效率(>35%)和近衍射極限的光束質(zhì)量，能使激光精確地?fù)糁?.4 km以外的目標(biāo)[24]。

最近的試驗(yàn)證明了光學(xué)相控陣的可定標(biāo)性，它能將幾千瓦的激光器輸出，以非常高的效率相干合成為更高功率的單一光束。DARPA計(jì)劃在今后三年里演示光學(xué)相控陣在更高功率(最終目標(biāo)是100 kW)下的能力。而在這樣小的裝置中獲得這樣高的功率，采用其他方法是難以實(shí)現(xiàn)的。與輸出相同功率的現(xiàn)有激光武器系統(tǒng)相比，它的尺寸，重量和成本都要低得多。

相控陣設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是能控制各光纖激光器，以便校正大氣湍流。最近進(jìn)行的演示試驗(yàn)是“亞瑟王之劍”計(jì)劃的一部分，它驗(yàn)證了對(duì)大氣湍流進(jìn)行亞毫秒時(shí)間尺度的大氣補(bǔ)償，以使激光在靶上的亮度達(dá)到最高。試驗(yàn)是在離地面幾十米的空中進(jìn)行的，在這個(gè)高度的大氣效應(yīng)對(duì)飛機(jī)和海上平臺(tái)都非常有害，試驗(yàn)也證明光學(xué)相控陣對(duì)校正圍繞飛機(jī)邊界層的湍流效應(yīng)也十分有效。這說明由于系統(tǒng)具有鎖相的特性和大氣補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理，所以像系統(tǒng)振動(dòng)和大氣湍流這樣的物理擾動(dòng)，并不會(huì)影響到激光光束。

相控陣的體系結(jié)構(gòu)為部署更有效、更致命和更機(jī)動(dòng)的激光武器系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，因此它能廣泛地應(yīng)用于激光武器系統(tǒng)的所有平臺(tái)，包括地面、海上和空中的平臺(tái)。

4 結(jié) 語

固體激光器已達(dá)到戰(zhàn)術(shù)激光武器的基準(zhǔn)功率，下一步挑戰(zhàn)將是小型輕量化和適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的堅(jiān)固性。與板條和薄片固體激光器相比，光纖激光器在效率、束質(zhì)、體積、重量、堅(jiān)固性和冷卻等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此它將成為戰(zhàn)術(shù)激光武器的主要光源之一，并將促使激光武器盡早走上戰(zhàn)場(chǎng)。

光束合成技術(shù)的研究正在快速發(fā)展，目前許多光束合成的概念是基于光束的非相干合成、光譜合成和相干合成。這三種主要的合成方法都具有各自的特點(diǎn)，每種方法都可能找到其獨(dú)特的應(yīng)用。相干合成具有最佳的性能，特別適用于激光武器系統(tǒng)，但技術(shù)最為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。對(duì)許多應(yīng)用來說，光譜合成更易實(shí)現(xiàn)，但產(chǎn)生的光譜較寬，比較適合對(duì)光譜亮度要求不太高的應(yīng)用。而非相干合成的體系結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，迄今非相干合成技術(shù)仍保持著光纖激光器最高輸出功率的記錄，并正用于戰(zhàn)術(shù)激光武器的研發(fā)之中。利用商業(yè)10 kW單模光纖激光器模塊和非相干合成能快速研發(fā)出幾萬瓦的激光武器,用于短程防御。但對(duì)未來高能激光武器的發(fā)展,必須重視研發(fā)相干合成技術(shù)。

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High-power fiber lasers and their applications in tactical laser weapons

REN Guo-guang,YI Wei-wei,QU Chang-hong

(China Jiuyuan Hi-tech Equipment Corporation,Beijing 100094,China)

High-power fiber lasers as the most advanced solid state lasers in the world own incomparable unique advantages and have been widely used in the field of tactical laser weapons.In this article,the features,recent progress,beam combining technologies and optical phased array of high-power fiber lasers were reviewed and analyzed,as well as their applications for tactical laser weapons.

tactical laser weapons,high-power fiber lasers,beam combination,optical phased array

1001-5078(2015)10-1145-07

任國光(1938-)，男，研究員，主要從事激光技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究工作。E-mail：ren_huang@sina.com

屈長(zhǎng)虹(1979-)，男，副研究員，主要從事裝備論證與效能評(píng)估。E-mail：quchanghong@cjhte.com

2015-05-10

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.001