安海霞，鄧 坤，閉治躍

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

高功率激光裝備小型化輕量化技術

安海霞，鄧 坤*，閉治躍

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

自激光器問世以來，激光在各領域的需求和應用非常廣泛，而隨著高功率激光裝備輸出功率不斷提高，重量與體積已成為制約高功率激光裝備應用與發(fā)展的關鍵問題之一。由于當前高功率激光裝備仍將提高輸出功率作為其發(fā)展目標，加之高功率激光裝備結構功能復雜、能量轉換效率低等特點，制約了高功率激光裝備小型化、輕量化的實現(xiàn)。本文在介紹高功率激光裝備的特點及其小型化、輕量化技術約束的基礎上，綜述了裝備常用小型化、輕量化技術應用、新型高功率激光技術應用、提高能量轉換效率及散熱效率等高功率激光裝備小型化、輕量化實現(xiàn)途徑，以及各種技術途徑在高功率激光裝備中已有的應用。根據(jù)高功率激光裝備現(xiàn)狀及特點，其在小型化、輕量化方面具有很大的發(fā)展空間及應用前景。

高功率激光裝備；小型化；輕量化

1 引 言

自1960年梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器以來[1]，激光因具有亮度極高、顏色單純、相干性強、方向性好及通過凸透鏡后能高度集中的特點在工業(yè)、醫(yī)療、信息科學、生物技術等領域獲得廣泛應用，高功率激光裝備在軍事領域的應用尤其有潛力[2]，同時很多高功率激光器的突破也來自軍事應用需求。由于激光武器具有其他武器無可比擬的優(yōu)勢，如無后坐力、單次發(fā)射成本、后勤保障費用低等[3]。各國爭相研究將高功率激光技術應用于軍事打擊與軍事防御，應用平臺除了?；?、地基外，還包括了陸軍的坦克、裝甲車，海軍的艦船、潛艇，空軍的轟炸機、無人機及殲擊機等眾多移動平臺[4]。應用于各平臺的高功率激光裝備經(jīng)過多年的研究與試驗，部分已實現(xiàn)了工程化的應用。

高功率激光器是高功率激光裝備的核心部件，具有輸出高功率、高光束質量激光束的功能[5]，隨著激光技術飛速發(fā)展，激光輸出功率大幅提升。高功率激光器種類繁多，已實現(xiàn)高功率輸出的激光器包括二氧化碳激光器、HF/DF化學激光器、氧碘化學激光器、固體激光器、半導體泵浦堿金屬激光器、光纖激光器[6]等。而隨著激光輸出功率的提升，激光裝備的體積與重量也快速增長，一方面限制了高功率激光裝備在移動平臺上的搭載應用，另一方面阻礙了高功率激光裝備總體性能的提高[7]。無法滿足平臺對裝備重量、體積的要求，已成為制約高功率激光裝備發(fā)展與工程化應用的重要問題之一。高功率激光裝備輸出功率及光束質量的發(fā)展現(xiàn)已能滿足應用要求，但重量和體積是決定其能否工程化應用的重要因素，如何在保證激光裝備輸出功率及光束質量的前提下，減少激光裝備的重量與尺寸，降低成本與能耗、擴大應用范圍，對高功率激光技術的應用及發(fā)展具有重要意義。

小型化輕量化技術的研究與應用目前主要集中在航天、航空、汽車等領域，并取得了顯著的效果[8]。高功率激光裝備作為一個復雜的光機系統(tǒng)，由多個分系統(tǒng)構成，包含的零部件眾多，因此零部件的優(yōu)化設計、復合材料等輕型材料的使用等常用的小型化輕量化技術的應用使高功率激光裝備小型化輕量化研究方面已取得了較多進展，但自身的特點及約束決定了高功率激光裝備集成到移動平臺并實現(xiàn)成熟工程應用，在其小型化輕量化方面仍需大量的研究與探討。

2 高功率激光裝備小型化輕量化約束及特點

2.1 約束

2.1.1 結構功能復雜

高功率激光裝備包含多個分系統(tǒng)：高功率激光器、總體控制分系統(tǒng)、光束控制與傳輸分系統(tǒng)和平臺與能源輔助分系統(tǒng)，如圖1所示。用以產生高功率高質量光束的高功率激光器是其核心組成；平臺與能源輔助分系統(tǒng)具有機械支持連接，保證光學系統(tǒng)穩(wěn)定工作，實現(xiàn)精確跟瞄的功能，并為高能激光器及其他分系統(tǒng)提供電能及廢熱管理平臺，是高功率激光裝備正常工作的基礎和保障；光束控制與傳輸分系統(tǒng)包括光束凈化，傳輸校正自適應光學系統(tǒng)，擴束、跟瞄、測距調焦等部分，是高質量激光光束精確輸出的直接保證；總體控制分系統(tǒng)具有提供目標引導信息、效應評估及下達指令與控制功能，各分系統(tǒng)在總體控制分系統(tǒng)的管理下協(xié)調工作，實現(xiàn)高功率激光裝備的功能。

圖1 高功率激光裝備系統(tǒng)構成 Fig.1 Components of a high-power laser equipment system

對于高功率激光裝備這樣一個龐雜的光機系統(tǒng)來講，在設計、裝配的過程中，滿足各系統(tǒng)間集成要求的同時，需考慮各分系統(tǒng)功能實現(xiàn)的最優(yōu)化。運用一體化設計、布局優(yōu)化等小型化輕量化手段的過程中，還應該考慮到各復雜分系統(tǒng)后期維護及故障排查的工作空間。許多高功率激光武器方案，由于具有平臺難以接受的系統(tǒng)尺寸和重量，限制了其在軍事領域的應用。圖2與圖3分別給出了機載激光武器系統(tǒng)及其激光發(fā)射系統(tǒng)結構，曾一度停止研制的機載激光武器在發(fā)展實施過程中遇到困難之一同樣是武器系統(tǒng)過重，新計劃中美軍仍將提高機載強激光武器系統(tǒng)效率和作戰(zhàn)距離，減少系統(tǒng)尺寸與重量作為努力的方向[9-10]。

圖2 機載激光武器系統(tǒng) Fig.2 Airborne laser weapon system

圖3 機載激光武器激光發(fā)射系統(tǒng) Fig.3 Emission system of the airborne laser weapon system

高功率激光裝備作為一個復雜的光機系統(tǒng)，其高功率激光器、光束控制與傳輸系統(tǒng)中包含眾多光學器件。光學器件的尺寸及性能通常由出光功率及光束質量等的要求確定，且由于光學元件對安裝位置、使用穩(wěn)定性等要求很高[11]，光學器件的設計更多是滿足并提高光學元件的各項性能，從而限制了小型化輕量化技術的應用發(fā)展。

2.1.2 能量轉換效率低

激光系統(tǒng)由于能量轉換效率普遍較低，能源及散熱問題成為導致系統(tǒng)體積重量龐大的原因之一。表1中給出了用于艦載激光武器的各固體激光器的輸出功率及轉換效率[12-14]，雖然相較于化學激光器與氣體激光器，固體激光器具有體積小、重量輕的優(yōu)點，但由于其轉換效率限制，工作產生廢熱多，造成冷卻系統(tǒng)卻十分笨重，導致固體激光器在集成到飛機、無人機等平臺時仍存在很多困難。

表1 艦載激光系統(tǒng)固體激光器參數(shù)

液體激光器及化學激光器冷卻系統(tǒng)相對比較簡單，體積重量較小，但其能源及燃料供應系統(tǒng)卻具有龐大的體積重量。

另外，高功率激光裝備結構非常復雜，在實驗室環(huán)境下能夠滿足出光功率及出光質量要求的激光系統(tǒng)，但在裝配、集成進移動平臺方面存在較大困難，同樣也是制約其小型化輕量化的一個重要因素。

2.1.3 特點

由于現(xiàn)階段高功率激光裝備發(fā)展重點仍多是提高激光器輸出功率及光束質量，對高功率激光裝備的優(yōu)化設計并不多，因此裝備常用小型化輕量化手段，如結構優(yōu)化設計、工藝優(yōu)化及材料優(yōu)化等技術手段在實現(xiàn)高功率激光裝備小型化輕量化方面具有很大潛力。

高功率激光裝備結構復雜，包含零部件眾多，各分系統(tǒng)及其部組件間的連接在激光裝備重量中占有較大比例，通過輕量化工藝技術及模塊化結構設計等輕量化手段，以及重心、整體布局合理配置等小型化手段的應用，可有效地實現(xiàn)小型化與輕量化。

在利用上述手段進行現(xiàn)有激光系統(tǒng)小型化輕量化的同時，探索發(fā)展新技術，設計制造更小、更輕的激光器、提高激光系統(tǒng)能量效率、提升冷卻系統(tǒng)性能等對高功率激光裝備尤為重要。

3 高功率激光裝備小型化輕量化技術

3.1 裝備常用小型化輕量化技術應用

裝備常用小型化輕量化技術包括結構設計優(yōu)化、一體化設計、工藝設計改進、輕型材料的匹配應用及布局優(yōu)化等。長春光學精密機械與物理研究所采用真空輔助凝膠注模和反應燒結法等工藝制備了直徑分別為200 mm和500 mm的兩塊超輕量化SiC反射鏡[15]。通過這些技術手段在高功率激光裝備綜合應用研究中采用理論計算、有限元、數(shù)值優(yōu)化及多目標優(yōu)化等方法，應用相關的優(yōu)化軟件進行結構及材料的優(yōu)化，以達到小型化輕量化的目的。通過綜合考慮結構優(yōu)化、材料和工藝各要素，在零部件層面能有效實現(xiàn)小型化輕量化。長春光學精密機械與物理研究所通過優(yōu)化設計實現(xiàn)了主鏡厚度減薄20%，輕量化率80%[16]。Coleman B. Cobb等通過改造為高能激光系統(tǒng)供電的發(fā)電機結構，利用高溫超導電線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線圈，實現(xiàn)了發(fā)電機的小型化與輕量化，有利于高功率激光系統(tǒng)在移動平臺上的集成與應用[17]；在總體布局層面，通過合理設計，將各分系統(tǒng)內各儀器設備盡量集中布置，分系統(tǒng)間有連接關系的設備靠近布置，有效降低分系統(tǒng)間設備連接件的體積與重量。

通過采用新的結構或機構或原有機構的創(chuàng)新應用，盡可能減少零部件數(shù)量，使結構更緊湊，也是高功率激光裝備模塊小型化輕量化的重要手段。針對高功率激光裝備這一龐雜的系統(tǒng)，盡量使總體布局設計合理，分系統(tǒng)內各儀器設備盡量集中布置，分系統(tǒng)間有連接關系的設備需靠近布置，以減少分系統(tǒng)間設備連接件的體積，降低整個系統(tǒng)中連接件重量。光機系統(tǒng)應合理設計光束傳播路徑，使光路盡量簡單、緊湊，減少光路傳輸及支承等結構重量；同時，布局時進行質量特性的計算，將質心配平到系統(tǒng)理論質心，以減輕系統(tǒng)后期在質量測試過程中配平質心時所需配重塊的重量，從而有效降低系統(tǒng)的體積，從而實現(xiàn)高功率激光裝備的小型化、輕量化。由于對優(yōu)化設計及布局考慮不多，已有的高功率激光裝備大多體積比較龐大、構型比較笨重，優(yōu)化空間很大。采用新結構實現(xiàn)光路優(yōu)化是實現(xiàn)小型化輕量化的一個手段，例如，在二極管泵浦激光器中通過采用如圖4所示的折疊或雙層疊加結構，使用屋脊狀棱鏡形成折疊腔，達到了結構緊湊、小型化的目的[18-19]。

圖4 激光器系統(tǒng)原理圖 Fig.4 Schematic diagram of the lasers

根據(jù)不同應用平臺進行高功率激光裝備系統(tǒng)布局及整體結構的優(yōu)化改進，采用多功能結構，既有利于平臺本身能力的發(fā)揮，也有利于激光裝備小型化輕量化發(fā)展。多功能結構指不僅具備傳統(tǒng)結構支撐和傳遞載荷的性能，還具有集成電、熱、提供能量等功能的作用。根據(jù)平臺特點，采用新方法新技術將光路及支架、連接電纜、機箱、熱控等集成為一體，最大限度的嵌入到結構的復合材料中，可以實現(xiàn)承受載荷、熱傳導、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘11]，是實現(xiàn)小型化輕量化的有效方法?，F(xiàn)有陸基與?；す馕淦鬏^多，雖然他們對激光武器重量、體積及外形的要求較寬松，但龐大的質量與體積仍給平臺帶來了能源及強度各方面的壓力。邵明振等在高功率脈沖TEA二氧化碳光器中，利用環(huán)形流道式主機結構代替筒形主機結構[20]，如圖5所示，將氣體循環(huán)冷卻系統(tǒng)直接作為激光器工作腔使用，將儲能裝置放在氣體流場結構的中空部位，通過采用這些結構優(yōu)化、功能結構合并及布局優(yōu)化的方式實現(xiàn)了小型化與輕量化，體積、質量分別減少了30%和40%，效果顯著。

圖5 環(huán)形通道式激光器主機 Fig.5 Host of laser with cylindrical structure

3.2 新型高功率激光技術

圖6 高能激光系統(tǒng)(HEL) Fig.6 High Energy Laser(HEL)

圖7 高能激光機動演示器(HELMD) Fig.7 High Energy Laser Mobile Demonstrator(HELMD)

探索新型高功率激光技術，是實現(xiàn)高功率激光裝備小型化與輕量化有效途徑。早期高功率激光器應用多是化學激光器：HF/DF化學激光器、氧碘化學激光器的輸出功率都達到了兆瓦水平，從美國“星球大戰(zhàn)”計劃、彈道導彈防御計劃、機載激光武器到戰(zhàn)術高能激光武器，大部分研究與應用都是利用化學激光器作為其高能激光源[21]。自由電子激光器作為有望達到兆瓦水平的高功率激光器，同樣存在體積重量過大的問題，在軍事應用方面多在對重量體積要求較低的海軍領域[22]。隨著二極管泵浦技術的提高，二極管泵浦固體激光器輸出功率大幅提高，超過了百千瓦水平，且因其用電驅動，不需要體積龐大的化學能源和后勤保障，體積與重量大大低于化學激光器，尤其是其壽命長、體積質量小、結構緊湊等優(yōu)點，因而在軍事領域發(fā)展迅速，在軍事應用方面有很大潛力。如圖6所示為1996年美國與以色列聯(lián)合研制的高能激光武器采用了化學激光器，當時需要8個集裝箱來裝載激光系統(tǒng)。圖7給出了波音公司研制的車載高能激光機動演示器(HELMD)， 將模塊化的高能固體激光器安裝在“Oshkosh”裝甲車上，小型化、輕量化對比明顯，且有效實現(xiàn)了機動平臺應用[23]。

近年來，隨著光纖技術進步，光纖激光器以其體積重量小、高可靠性等優(yōu)點受到重視，成為固體激光器的強力競爭對手，2010年，單纖輸出功率達到了10 kW[24]。2013年，德國萊茵公司報道了50 kW的高能光纖武器演示系統(tǒng)[25]，而國內武漢瑞科公司推出了10 kW的全光纖激光器[26]，光纖激光器在國內外發(fā)展都很迅速，在軍事應用方面具有很大的潛力[27]。

激光器的功率體積比和功率重量比是衡量其小型化輕量化的重要指標，此方面化學激光器最差，光纖激光器和固體激光器。通過提高單纖輸出功率、光束合成技術等提高每千瓦輸出功率的結構重量與尺寸，從而達到小型化輕量化的目的，但仍存在功率與體積重量比過大的問題。二極管抽運液體激光器系統(tǒng)綜合了固體激光器尺寸小和液體激光器熱管理簡單的優(yōu)點，具有重量輕、功率高的特點，已實現(xiàn)了比功率僅為5 kg/kW的目標[7,28]，如圖8所示[29-30]。

圖8 高能液體激光器 Fig.8 High energy liquid-state laser

而通用原子公司完成了“第三代激光系統(tǒng)”實驗室驗證，該技術繼承自此前的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(HELLADS)，第三代激光系統(tǒng)采用了多項技術升級以改進光束質量，提高電光效率，并有效減小尺寸和重量。集成樣機非常緊湊，輸出功率為150 kW，尺寸僅有1.3 m×0.4 m×0.5 m，重量僅為1 316 kg，如圖9和圖10分別給出了150 kW激光集成樣機及其75 kW模塊結構。該激光系統(tǒng)能裝入通用原子公司的“復仇者”無人機的武器載荷艙中[31-32]，有效實現(xiàn)了激光器本身的小型化及輕量化及應用。

圖9 150 kW激光集成樣機 Fig.9 150 kW integrated laser prototype

圖10 75 kW激光模塊 Fig.10 75 kW laser module

提高激光器光束質量也是高功率激光裝備小型化輕量化途徑之一。就激光武器來說，很小的光束質量提高就能帶來遠距離目標上光斑能量密度的顯著提升，對于以能量積累進行目標毀傷的激光武器，光束質量高，消耗的能源和產生廢熱都會減少。而能源與散熱在高功率激光裝備重量與體積中所占比例較大，因此能有效實現(xiàn)高功率激光裝備的小型化與輕量化。

3.3 提高能量轉換效率

提高激光器能量轉換效率能有效縮減激光器體積重量[6]。在保證輸出功率的前提下，提高激光器能量轉換效率，可大大減少能源部分重量，同時產生的廢熱會減少，廢熱管理部分的重量與尺寸也會大幅降低。化學效率是氧碘化學激光器等化學激光器性能衡量的一個重要標準，表明能源中化學能轉化為輸出激光的比例。由于化學反應不充分、反應物配比帶來的物質損失及產生的激光在激光腔內被吸收、散射、透射及衍射等產生的損失等，都降低了化學激光器的化學效率。要提高化學效率，就要減少各種能量損失，通過反應過程控制、噴嘴等零部件設計來提高化學激光器能量轉換效率。美國通過利用重氫化合物取代過氧化氫燃料，在燃料中加入化學物質，改進燃料流速，提高激光器真空度的技術有效減輕了激光器器件的重量[33]。

半導體激光器及其陣列的進展，推動了具有高效率、高穩(wěn)定性、高光束質量的二極管泵浦固體激光器及固體激光器技術的發(fā)展，取代了傳統(tǒng)的弧光燈泵浦，極大地提升了激光器效率。在聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)計劃中，由諾斯羅普·格魯曼公司研制的電驅動固體激光器雖實現(xiàn)了105 kW輸出，但激光器體積龐大，且效率只有20%，而提出的堅固型電激光器倡議(RELI)項目旨在將效率提高到30%，并降低系統(tǒng)的重量與體積[34-35]。激光器輸出功率與激光頭上所耗電功率的比為電光效率，不僅是評價高功率激光器運行成本的重要因子，而且是度量能耗及熱管理需要的重要指標。提高二極管泵浦激光器電光效率的重要途徑包括激光腔的優(yōu)化設計、高吸收效率、高量子效率的激光晶體的選擇應用及采用光纖結構的激光介質等。美國洛克希德·馬丁公司開發(fā)的新型模塊化光纖激光器的能量轉換效率達到了40%[36]。

3.4 提高散熱效率

轉換效率低、廢熱多使熱管理問題成為制約高功率激光裝備小型化輕量化的重要因素，尤其是固體激光器。激光器件的優(yōu)化設計與冷卻技術的綜合應用是有效提高散熱效率的重要手段。以二極管泵浦固體激光器為例，激光介質的幾何構型對其散熱性能有較大的影響，棒式和板條式激光介質因其尺寸限制存在比較嚴重的廢熱問題；將介質棒的長度縮短到遠小于其直徑而產生了薄片式激光介質，不僅減小了熱效應，且增大了散熱面積，可直接將薄片晶體固定在熱沉上進行散熱；將介質的直徑縮小、長度增長而產生的光纖結構的激光介質，可將廢熱由光纖結構介質側面排散。隨著冷卻理論與技術的發(fā)展，微通道液體對流換熱、固體冷卻、噴霧冷卻及微熱管冷卻等多種冷卻方式的發(fā)展[37]，冷卻系統(tǒng)的冷卻效率及整體性能不斷提升，為高功率激光裝備小型化與輕量化提供了基礎。楊曉濤[38]等設計了如圖11所示的側面抽運風冷Nd:YAG脈沖激光器，通過采用半導體熱電制冷配合風扇的風冷系統(tǒng)，省去了體積龐大的水冷系統(tǒng)，有效實現(xiàn)了小型化輕量化。

圖11 抽運模塊結構圖 Fig.11 Structure of pumping module

4 結束語

隨著高功率激光裝備的不斷發(fā)展及應用平臺范圍的不斷擴大，高功率激光裝備在各領域的需求與應用日益廣泛，對其輸出功率也提出了更高的要求。而隨著高功率激光裝備輸出功率的不斷提高，重量、體積已成為制約高功率激光裝備發(fā)展與應用的瓶頸問題之一，甚至成為導致高功率激光裝備無法在某些機動平臺應用的直接原因，發(fā)展高功率激光裝備小型化輕量化已是大勢所趨。

高功率激光裝備作為復雜的光機系統(tǒng)，結構功能繁雜，包含了多個分系統(tǒng)及眾多的光學零部件。激光系統(tǒng)能量轉換效率低的特點使能源及熱管理分系統(tǒng)重量與體積增加，導致了高功率激光裝備質量大、體積大，在裝配及集成進移動平臺方面存在較大困難，高功率激光裝備小型化、輕量化需求迫切。

現(xiàn)階段對高功率激光裝備小型化、輕量化考慮不多，因此具有很大優(yōu)化潛力與空間。無論是使用結構優(yōu)化、工藝優(yōu)化及輕型材料選用等通用的輕量化手段，還是采用新結構設計、新型高功率激光技術及能量轉換效率提升等都是實現(xiàn)高功率激光裝備小型化、輕量化的重要途徑。

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Miniaturization and lightweight technology of high-power laser equipment

AN Hai-xia, DENG Kun*, BI Zhi-yue

(InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

Since the laser was invented, laser is widely demanded and applied in various fields. With the in creasement of the lasers′ output power, the heavy weight and huge volume has become one of the restrictions for the development of high-power laser system. Because of the requirement for high power output, the complicated structure and low energy conversion efficiency, it is difficult for high-power laser systems to realize the miniaturization and lightweight. Features of high-power laser system and the restrictions in miniaturization and lightweight are introduced in this paper. On the basis of this, approaches such as application of miniaturization and lightweight technology for common equipment, new high-power laser technologies, methods to improve energy conversion efficiency and heat radiation efficiency which can match the characteristics of the high-power laser system as well as their use in high-power laser systems are reviewed. According to the characteristics and development situation of high-power laser system, these technologies have great potential in reducing the weight and volume efficiently.

high-power laser equipment;miniaturization;lightweight

2017-01-11；

2017-03-13

2095-1531(2017)03-0321-10

TH745

A

10.3788/CO.20171003.0321

安海霞(1989—)，女，甘肅臨夏人，碩士，助理工程師，主要從事光機結構設計等方面的研究。E-mail:ahxbuaa@126.com

鄧 坤(1987—)，男，四川南充人，碩士，助理工程師，主要從事系統(tǒng)總體設計等方面的研究。E-mail:414dengk@caep.cn

*Correspondingauthor,E-mail:414dengk@caep.cn