高功率光纖激光器即將在軍事領(lǐng)域大展身手

　　美國空軍計劃2017年對洛馬研制的3萬瓦光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行的驗證，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，洛馬公司獲得價值2500萬美元的合同，用于制造和試驗?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證機(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?，洛馬公司利用內(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，驗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)點?！泵恳粋€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，試驗了其對迫擊炮和無人機的作戰(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)的驗證后，計劃于2022年進(jìn)行10萬瓦激光武器系統(tǒng)的試驗。

　　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)生了兩項變革：遠(yuǎn)程通信和工業(yè)化切割/焊接。洛馬充分運用了這兩項變革技術(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)點火試驗，使用的都是商用激光器，但是能夠通過在一個公共點瞄準(zhǔn)多個波束，也就是通過部分重疊實現(xiàn)功率增大。美國海軍3萬瓦激光武器系統(tǒng)的原型機就是這么處理的，該原型機已經(jīng)在部署于波斯灣的兩棲船塢運輸艦“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，采用了“阿拉丁”光纖激光器，在試驗中使一輛卡車的發(fā)動機失效。 模塊化光纖激光器的優(yōu)勢是，規(guī)模可變、易于冷卻和包裝。采用模塊化設(shè)計時，可以通過在機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，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。模塊可以垂直或水平架放，或者放在兩個機柜中。所有模塊相互獨立，光纖發(fā)送功率。空軍研究實驗室(AFRL)目前正在為第六代戰(zhàn)斗機尋求激光武器系統(tǒng);在第六代戰(zhàn)斗機上，激光器模塊將在整個飛機上呈分布式安裝，波束由牢牢穿越機體的光纖進(jìn)行傳送，所有光纖在機身表面形成一個共形陣。