激光技术与光纤激光器

1、激光武器现状与发展摘要：激光武器在现代战争中发挥越来越重要的作用，本文论述了现阶段激光武器毁伤机理，发展现状及未来发展趋势。激光武器按激光生成方法可以分为化学激光器，自由电子激光器，固体激光器等，它们各有特色，目前只有化学激光器达到了实战部署阶段，其他激光器还有待成熟。展望未来，未来机载激光武器、反卫星计划上，激光武器将大有作为，呈现出蓬勃发展的态势。关键词：激光武器；激光制导；发展分析1 引言激光武器是一种定向能武器，它利用强大的定向发射激光束直接毁伤目标或使之失效。用高能量，大功率的激光束代替常规子弹攻击目标物体，是由于激光武器具有：（1）高速度，激光以光速进行传输，从激光器出口到目标的时间可以不计，争取了作战时间。 （2）反应灵敏，激光器射出的光束质量近于零，可在短时间内对不同方向的来袭目标进行打击。 （3）命中精度高，激光武器是将能量汇聚成很细的光束准确的对准某一方向射出。 （4）杀伤力可控，可通过调整和控制激光武器发射激光束的时间或功率以及射击距离来对不同目标分别实现非杀伤性警告，功能性损失，结构性破坏。(5)抗电子干扰能力强，激光武器射出的是激光束，现有的电子干扰手段对其不

2、起作用。基于这众多优势，激光武器将在反导，反卫星和破坏敌方信息系统中得到广泛应用。2 激光武器概述根据作战用途，这种新型武器分为战术激光武器和战略激光武器两大类。战术激光武器是利用激光作为能量，像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等，打击距离一般可达 20km。战略激光武器可攻击数千公里之外的洲际导弹；可攻击太空中的侦察卫星和通信卫星等。根据能量大小、激光的打击方式可分为软打击和硬打击两种：软打击主要是打击导弹的导引头和整流罩，破坏其传感器和电子线路，致使导弹不能准确飞向目标。这种打击射程可超过 l0km，激光功率只要达到 100kW 左右即可。而硬打击则是把导弹的壳体、燃料室以及整体结构彻底摧毁，使导弹在空中爆炸。射程为 l0 千米至几百千米时，激光武器功率要求 400kW 甚至 MW 以上或者更多。由于激光武器的强大威力，美国海陆空天各部门都在加强对这一武器的研制，以在未来现代化战争或局部战争中，掌握制胜的主动权。激光武器之所以有如此巨大的杀伤力，主要在于它的高能量和高功率。一般通过以下三步对目标物体实行毁灭性的破坏。第一：热作用破坏，只要激光功率足够高，被激光照射的目标

3、物体局部会瞬间汽化，当汽化很强烈时，材料蒸汽高速喷出，同时将部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出来，从而造成凹陷甚至穿孔。第二：力学破坏，蒸汽高速喷出时，对目标物体会产生强大的反冲作用，这使得在目标物体内部形成激波，激波传到目标物体的背面，产生强大的反射。外表面的激光与背面的激光对目标物体形成前后夹击，使目标物体变形破裂。所以即使没被烧蚀摧毁，也会因为受力学破坏而严重影响其技术性能。第三：辐射破坏：当激光照射到目标物体表面时，被汽化的物质会被电离成等离子体云，等离子体云辐射出紫外线和 X 射线，对目标物体造成损伤。3 激光武器的现状分析激光武器经过不断的开发和研究，目前已有了重大的进展，低功率激光武器已经开始装备部队，高功率激光武器也日渐成熟。按不同分类方法可将激光武器分为不同类型，从作战性能上可分为低能激光武器和高能激光武器；按激光生成方法可以分为化学激光器、固体激光器、液体激光器和自由电子激光器等，其中激光器是激光武器的关键技术部分。本文按激光生成方法的分类对激光武器的现状进行分析。3.1 化学激光器利用工作物质的化学反应所释放的能量激励工作物质产生激光，例如以氟化氮作为氧化剂使得乙烯燃

4、料在燃烧室内发生燃烧，在燃烧室的下游，氘氦混合气体被注入燃烧后的尾气中，产生自由的 DF 分子，这些分子在激光器的谐振腔内受激发后，产生激光。目前常见的化学激光武器有氧碘激光器，氟化氢激光器，氟化氘激光器等。其中氧-碘化学激光器首先被美国用于 ABL 计划（机载激光器计划） ，试图采用氧- 碘激光器在 12 千米高空摧毁 320 千米正在进行助推飞行的有敌意的导弹。在发展 ABL 项目的同时，1977 年美国空军发明了新的氧-碘(COIL)化学激光器，它的能量转化效率达到 20%作用，后来继续发展用于现在空基激光器(ABL，现已经改名为 ALTB)。图 1ABL 计划氧-碘激光器具有更大的功率，在体积、功率、重量和可靠性上形成了一个平衡。但是目前为止，化学激光器共有的缺点就是需要耗用大量的化学燃料，这使得体积庞大，且排放的尾气对环境会造成污染甚至伤及自身。3.2 自由电子激光器自由电子激光器(FEL) 利用自由电子的受激辐射，把电子束的能量转换为激光。具体实现是电子从原子脱离后，通过线性加速器加速到高能态，这些高能态电子被导入到摆动器，迫使它们以光子的形式释放出能量，当光子进入谐振腔后

5、，光子在谐振腔两端的反射镜之间来回运动，并激发出更多相同频率的光子，最后形成一簇连续的光束发射出去。上个世纪 80 年代星球大战计划就是使用大功率陆基自由电子激光器进行防御，但由于成本技术和战略转向等原因取消，但仍为美国自由电子激光器的发展打下了基础。美国海军研究实验室(ONR)从 1996 年开始自由电子激光器的研制，2004 年激光器功率已经到了 10KW，2007 年达到 25KW。2009 年根据报道，美国海军研究实验室分别和波音与雷锡恩公司签订合同，提供 100 千瓦级自由电子激光器的初步设计。另据美国导弹防御内情报道，美海军研究实验室(ONR)定向能项目负责人 Quentin Saulter 称，自由电子激光器(FEL)将可能在 2020 年前部署成为舰船防御敌方导弹的武器，并最终将安装在例如 DD(X)等下一代驱逐舰以及CVN-21 等级的航空母舰上。该激光器最近被放置在美国能源部“托马斯国家加速器” 实验设施中，它由ONR 定向能计划负责提供资金，但是研究成果同样可供陆军、空军、工业界以及研究学术界使用。该激光器的灵活性和波长范围是它优于其他类型激光武器的主要原因。Sa

6、ulter 称，FEL 提供的强光束，能够被调谐到一个特定的波长，并且比从常规激光器得到的光束功率更高，FEL 能被调谐到不同波长的能力使它成为舰船防御的更合理的激光器类型因为它的光束不受大气干扰，而在海面上这种干扰非常严重。他们的研究表明 在近海作战中，热限制了高能激光束的大气传输，因此，也就限制了激光武器的效能。而传统的 DF 化学激光器的波长对于沿海的环境并不是最佳的，使得至少 60%发射功率在攻击过程中被大气散射。图 2 自由电子激光器主要结构和工作原理的示意图导弹防御内情的报道称，经过 20 多年的发展，美国海军已经建成了兆瓦级的 DF 化学激光器(MIRACL)和海石束定向器 (SLBD)，目前它们是构成位于新墨西哥州的白沙导弹靶场的“高能激光系统试验装置” 的主要武器之一，一直用于试验和验证几种激光武器概念。随着近年来作战环境发生了巨大变化，美国海军也开始了它的作战转移，即从远洋作战转变为沿海作战，作战形式也由进攻型海战转变为舰只自卫，因而，应对日益严重的巡航导弹威胁成为海军高能激光武器计划的主要目标。作为海上应用的激光器，克服海洋环境引起的传输效应是至关重要的。美国海军

7、多年来一直努力开发大功率定向能技术，但由于化学激光器的工作波长，使其发射的激光在到达目标之前容易被大气吸收，因此不得不放弃了大功率化学激光武器的开发，但对利用激光器保护舰船对付巡航导弹的研究资助一直没有放弃。FEL 的出现被美国海军相关机构认为是一个更好的替代品。 2005 年 6 月，FEL 获得了 25 千瓦的红外激光，并成为世界上同类激光器中功率最高的激光器。海军研究后方管理者 Jay Cohen 在 2005 年 5 月的一次工业界会议上称，将在接下来的 5 年里达到 100 千瓦，这是实现杀伤所需的最低功率。尽管自由电子激光器同时还具有高效率，高功率，激光质量好等优点。但是由于其体积巨大，高功率的反射镜制作困难，且需要可供应大量电力的供电系统，目前仍得不到广泛应用。3.3 固体激光器固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质，一般采用光学透明的晶体或者玻璃作为基质材料，掺以激活离子或者其他激活物质等构成。其中，对于玻璃激光工作物质，容易制成均匀的大尺寸材料，用于高能量或高峰值功率激光器。但荧光谱线较宽，热效能较差，不适合高平均功率下工作。而晶体激光物质具有良好的热性能和机械性能

8、，且有窄的荧光谱线，但不易获得大尺寸材料的晶体。目前，美国进行的秘密试验中，其最新的激光防空武器击落了数架无人飞机。而这最新的激光武器就是固体激光武器。激光器以 32 千瓦的能量在数秒之内将无人飞机烧毁。图 3 美国陆海空三军联合研制高能固体激光器相比化学激光器，自由电子激光器，固体激光器体积和重量上得到了更好的控制，且价位便宜，取材方便。而且最近几年快速的发展使它的输出功率已经达到武器级的 100kW。但由于固体激光武器光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，再加上其他的损耗，因而能量转换效率仍然是不高的。4 激光武器发展前景由于美国在激光武器的研制方面发展很快，已走在了世界的前列，因此在激光武器的未来发展方面，主要以美国的发展态势来分析。美国目前主要有：IFX 计划、未来机载激光武器、反卫星计划等。4.1 IFX 计划IFX 计划（美国天基激光武器发展计划）是美国防部科研局与美国空军共同勾画的 21 世纪用激光武器进行太空作战的美好蓝图。此计划预计到 2013 年完成，计划的前期和中期工作目前已完成，美空军正集中精力攻克难关。目前，美国防部认为，太空激光武器是用来摧毁洲际导弹、

9、助推阶段的战役/战术导弹最有效的武器，并且能在几百到几千公里的距离上摧毁空中和太空中的任何其它目标。美国科研局在导弹防御计划中关于这个问题主要从事两个方面的工作：研制高能化学激光和研制识别目标、跟踪目标系统、目标制导系统以及火控系统等。太空激光武器还存在许多尚未解决的难题，包括：怎样把大型的激光装置送入轨道，主要原因就是发光装置主镜的直径过大，解决的主要办法是研制能在运载火箭的货舱内放得下的折叠式主镜，并且在太空激光武器进入预定轨道后能自动打开。还有一个问题就是，怎样向轨道上的太空激光武器补充化学介质，在将来激光武器使用的都是化学激光，没有介质就不能发生化学反应，也就不能产生激光。美国科研局和美国空军，在太空激光武器的下一阶段的主要任务是集中精力攻克上述难题。美国诺格公司 2006 年 10 月 25 日宣布，公司正在制造小型高能固态激光器 Vesta，可用于多种军事任务，可能的应用包括：固定地点关键资产、地面机动部队、舰船和飞机的保护，以及有人机和无人机精确打击。Vesta 的关键特征是卓越的光束质量、高能、以及较长的运行时间，所有优点可集中于一个小型激光器设备中，与此前系统相比，可极大减小设备尺寸和重量，预计能够大大缩短激光器从实验室到战场的周期。Vesta 激光武器的技术优势有：(1) 光束质量或亮度小于衍射极限的 1.3 倍。光束质量指激光束能够被聚焦到什么程度，最终确定多少光束能够被投射到目标上。Vesta 把卓越的光束质量和大功率结合在一起，因此投射在目标上的能量级是前所未有的。焊接用标准工业激光器的光束质量超过 2，武器系统使用的激光器光束质量一般为 1.5-2。光束质量小于 1.5 的高能激光器才被认为是极优秀的。(2)持续运行时的功率为 15KW。(3)演示时，连续运行 20min，功率和光束质量无衰减，设计在此功率水平和光束质量水平无限期运行。4.2 未来机载激光武器美国设想的未来机载激光武器的性能如下：飞机机舱内储存的激光介质射击次数能达到 40 次；辐射目标的时间为 3-5s；激光功率为 3MW 兆；最大射程为 600km；平均巡航时间为 48h。在为反导系统研制机载激光武器的过程中，美国防部对研制战术型机载激光武器产生了浓厚的兴趣。波音公司已进行了功率约为 300k

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