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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驗(yàn)證機(jī)(HEL MD)上。洛馬公司的高級研究員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、更高效的電動效率,但功率量級卻低一些。光纖激光的波束由多個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%,降低了整個武器系統(tǒng)對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)對多個目標(biāo)的“射擊-觀測-射擊”。洛馬采用的是光譜波束合成技術(shù)。每一個光纖激光模塊的輸出,波長會有些稍微的不同。衍射格柵通過將波束一個在一個上面地排列進(jìn)行波束合成,形成一個單頻的高功率波束,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;旁瓣功率不會對目標(biāo)產(chǎn)生效果;同相意味著高效,但會增大復(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!


3萬瓦的“阿拉丁”演示系統(tǒng)有大約100個光纖激光模塊。陸軍6萬瓦原型機(jī)所包括的光纖激光器,數(shù)量更少、功率級別更高。Afzal解釋到,“幾乎一個光纖激光器功率為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)。”每一個激光器模塊的末端,是一個傳送光纖;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)平臺上,功率超過10萬瓦。安裝于卡車的HEL MD,已經(jīng)對1萬瓦的、工業(yè)化光纖激光器,試驗(yàn)了其對迫擊炮和無人機(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公共點(diǎn)瞄準(zhǔn)多個波束,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”號上進(jìn)行了部署,開展作戰(zhàn)評估。


“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)動機(jī)失效。 模塊化光纖激光器的優(yōu)勢是,規(guī)?勺儭⒁子诶鋮s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優(yōu)點(diǎn)。模塊可以垂直或水平架放,或者放在兩個機(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)身表面形成一個共形陣。

鑒于已經(jīng)開始為陸軍制造激光系統(tǒng)的緣故,因此,洛馬公司也正在研究如何將光纖激光器技術(shù)應(yīng)用于其它需求。洛馬公司正在尋求如何像陸軍的戰(zhàn)術(shù)平臺一樣,將激光器系統(tǒng)包裝,為戰(zhàn)艦研制一個武器模塊或?qū)⑾到y(tǒng)安裝到飛機(jī)的吊艙中。


一個潛在的應(yīng)用,是 AFRL 計(jì)劃的自保護(hù)高能激光器驗(yàn)證(“盾”)項(xiàng)目,該項(xiàng)目預(yù)計(jì)很快將發(fā)布征詢!岸堋表(xiàng)目的目標(biāo)是:2020年底,為戰(zhàn)斗機(jī)驗(yàn)證一個能夠反導(dǎo)的自防御吊艙;2022 年底,研制一個作用距離更遠(yuǎn)、功率達(dá) 10 萬瓦的系統(tǒng)?哲娤到y(tǒng)將激光器技術(shù)用于自防御吊艙,能夠進(jìn)行功率的規(guī)?s放,對抗大型飛機(jī)(包括用于特種作戰(zhàn)的武裝運(yùn)輸機(jī))掛裝的進(jìn)攻性武器。


Afzal 表示,“‘盾’項(xiàng)目的技術(shù)水平是我們目前可以達(dá)到的,我們將尋求對其改進(jìn)已更貼近空軍的要求,但不是下一代系統(tǒng)的概念!辈贿^,關(guān)鍵的問題是光纖激光器技術(shù)與其它固態(tài)電動激光器的成熟度比較。陸軍試驗(yàn)的6萬瓦激光器系統(tǒng),將洛馬公司的激光器技術(shù)推進(jìn)到了TRL6,是否能夠達(dá)到TRL7,則取決于如何試驗(yàn)該系統(tǒng)和系統(tǒng)能否進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)交戰(zhàn)。競爭仍在繼續(xù)。


(來源:光電信息簡報(bào))
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