高功率光纖激光器即將在軍事領(lǐng)域大展身手

　　美國空軍計(jì)劃2017年對(duì)洛馬研制的3萬瓦光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行的驗(yàn)證，是一個(gè)重要步驟。不過，與光纖激光器形成競爭的固態(tài)激光器，其功率在驗(yàn)證中已經(jīng)超過10萬瓦，技術(shù)成熟度較高，被軍方認(rèn)為是潛在的、可實(shí)現(xiàn)盡早部署的定向能武器。

　　洛馬公司已經(jīng)開始生產(chǎn)光纖激光器模塊，用于功率6萬瓦的激光武器系統(tǒng)。今年4月，洛馬公司獲得價(jià)值2500萬美元的合同，用于制造和試驗(yàn)?zāi)K化激光器，該激光器將集成到陸軍所屬、波音研制的高能激光移動(dòng)驗(yàn)證機(jī)(HEL MD)上。洛馬公司的高級(jí)研究員Rob Afzal 表示，“我們公司將在2016年底向用戶交付激光器?！敝埃羼R公司利用內(nèi)部資金制造了一個(gè)功率3萬瓦的激光系統(tǒng)，在保持波束質(zhì)量和電驅(qū)效率的同時(shí)，驗(yàn)證用多個(gè)光纖激光器合成波束的可行性。Afzal介紹，模塊化技術(shù)能夠?qū)⒓す馄鬟M(jìn)行規(guī)模集成，提升功率級(jí)別達(dá)10萬瓦以上;在2017年的演示結(jié)束后，陸軍計(jì)劃僅僅是通過增加激光器模塊，將HEL MD升級(jí)到10萬瓦。

　　與利用平板激光晶體作為獲取媒介的固態(tài)激光器相比，通過二級(jí)泵浦形成的長時(shí)間光學(xué)光纖而生成的激光波束，具有更高質(zhì)量的波束、更高效的電動(dòng)效率，但功率量級(jí)卻低一些。光纖激光的波束由多個(gè)光纖高效組合而形成單一的高功率波束。洛馬公司宣稱，該公司研制的激光系統(tǒng)效率達(dá)到了40%，降低了整個(gè)武器系統(tǒng)對(duì)功率生成和冷卻的要求。Afzal表示，基于波束組合的光纖激光器，功率更大、波束質(zhì)量更高，從而能夠在更遠(yuǎn)的距離范圍外，向目標(biāo)發(fā)射更多的能量。這樣，就能夠提高作戰(zhàn)距離或減少失敗幾率，從而使激光武器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的“射擊-觀測-射擊”。洛馬采用的是光譜波束合成技術(shù)。每一個(gè)光纖激光模塊的輸出，波長會(huì)有些稍微的不同。衍射格柵通過將波束一個(gè)在一個(gè)上面地排列進(jìn)行波束合成，形成一個(gè)單頻的高功率波束，類似棱柱分解光的逆過程。

　　與其它高功率激光器采用的一致波束合成技術(shù)相比，光譜波束合成技術(shù)能獲得最高的“桶中功率”效率;“桶中功率”效率是一種波束質(zhì)量測量方法，是投送至目標(biāo)區(qū)的功率的函數(shù)。Afzal說，“同相陣列的問題是旁瓣;旁瓣功率不會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生效果;同相意味著高效，但會(huì)增大復(fù)雜性。我們認(rèn)為，這種類型的功率和戰(zhàn)術(shù)使用不是我們所追求的。我們追求的是最簡單、最簡潔的方法?！?/p>

　　3萬瓦的“阿拉丁”演示系統(tǒng)有大約100個(gè)光纖激光模塊。陸軍6萬瓦原型機(jī)所包括的光纖激光器，數(shù)量更少、功率級(jí)別更高。Afzal解釋到，“幾乎一個(gè)光纖激光

　　器功率為1千瓦，還能夠增加5-10%的能量。這是光譜波束合成技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)。”每一個(gè)激光器模塊的末端，是一個(gè)傳送光纖;該光纖就是波束合成匣的末端。波束

　　合成后的輸出，是一個(gè)單頻的高功率波束，該波束被發(fā)送至武器系統(tǒng)的激光波束指揮塔。

　　演示系統(tǒng)的目標(biāo)之一，就是掌握激光器的制造方法并獲得其組元的工作壽命。生產(chǎn)型激光器的模塊，魯棒性更高、易于安裝到戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)上，功率超過10萬瓦。安裝于卡車的HEL MD，已經(jīng)對(duì)1萬瓦的、工業(yè)化光纖激光器，試驗(yàn)了其對(duì)迫擊炮和無人機(jī)的作戰(zhàn)能量，但是作用距離和殺傷力還有限。在2017年完成6萬瓦系統(tǒng)的驗(yàn)證后，計(jì)劃于2022年進(jìn)行10萬瓦激光武器系統(tǒng)的試驗(yàn)。

　　洛馬自主進(jìn)行光纖激光器的研制，是出于對(duì)高波束質(zhì)量的需求，但所采用的元件是商用光學(xué)光纖和泵浦二極管等。激光器領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了兩項(xiàng)變革：遠(yuǎn)程通信和工業(yè)化切割/焊接。洛馬充分運(yùn)用了這兩項(xiàng)變革技術(shù)，研制了一類新型的激光器 。商用光纖激光器具有更高的可獲得功率，可達(dá)每光纖1萬瓦，但波束質(zhì)量不適用于波束合成。到目前為止，激光武器的大多數(shù)點(diǎn)火試驗(yàn)，使用的都是商用激光器，但是能夠通過在一個(gè)公共點(diǎn)瞄準(zhǔn)多個(gè)波束，也就是通過部分重疊實(shí)現(xiàn)功率增大。美國海軍3萬瓦激光武器系統(tǒng)的原型機(jī)就是這么處理的，該原型機(jī)已經(jīng)在部署于波斯灣的兩棲船塢運(yùn)輸艦“龐塞”號(hào)上進(jìn)行了部署，開展作戰(zhàn)評(píng)估。

　　“雅典娜”武器原型機(jī)，采用了“阿拉丁”光纖激光器，在試驗(yàn)中使一輛卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)失效。 模塊化光纖激光器的優(yōu)勢是，規(guī)?？勺?、易于冷卻和包裝。采用模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過在機(jī)架上增加更多的模塊，變化規(guī)模、增大功率。每一個(gè)模塊均單獨(dú)冷卻;增加模塊，就相應(yīng)增大冷卻系統(tǒng)的規(guī)模，但復(fù)雜度并不增加。系統(tǒng)是并行的，而不是串行的。之前，我們常常會(huì)遇到規(guī)模調(diào)整問題，當(dāng)激光器的功率增大、平板尺寸更大時(shí)，無法解決熱的冷卻問題。

　　模塊包裝的靈活性，是光纖激光器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。模塊可以垂直或水平架放，或者放在兩個(gè)機(jī)柜中。所有模塊相互獨(dú)立，光纖發(fā)送功率?？哲娧芯繉?shí)驗(yàn)室(AFRL)目前正在為第六代戰(zhàn)斗機(jī)尋求激光武器系統(tǒng);在第六代戰(zhàn)斗機(jī)上，激光器模塊將在整個(gè)飛機(jī)上呈分布式安裝，波束由牢牢穿越機(jī)體的光纖進(jìn)行傳送，所有光纖在機(jī)身表面形成一個(gè)共形陣。