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(wàn)瓦光纖激光系統進(jìn)行的驗證，是一個(gè)重要步驟。不過(guò)，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(guò)10萬(wàn)瓦，技術(shù)成熟度較高，被軍方認為是潛在的、可實(shí)現盡早部署的定向能武器。

　　洛馬公司已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)光纖激光器模塊，用于功率6萬(wàn)瓦的激光武器系統。今年4月，洛馬公司獲得價(jià)值2500萬(wàn)美元的合同，用于制造和試驗模塊化激光器，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(hù)交付激光器?！敝?，洛馬公司利用內部資金制造了一個(gè)功率3萬(wàn)瓦的激光系統，在保持波束質(zhì)量和電驅效率的同時(shí)，驗證用多個(gè)光纖激光器合成波束的可行性。Afzal介紹，模塊化技術(shù)能夠將激光器進(jìn)行規模集成，提升功率級別達10萬(wàn)瓦以上;在2017年的演示結束后，陸軍計劃僅僅是通過(guò)增加激光器模塊，將HEL MD升級到10萬(wàn)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(guò)二級泵浦形成的長(cháng)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(chēng)，該公司研制的激光系統效率達到了40%，降低了整個(gè)武器系統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，從而能夠在更遠的距離范圍外，向目標發(fā)射更多的能量。這樣，就能夠提高作戰距離或減少失敗幾率，從而使激光武器系統能夠實(shí)現對多個(gè)目標的“射擊-觀(guān)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(cháng)會(huì )有些稍微的不同。衍射格柵通過(guò)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(lèi)似棱柱分解光的逆過(guò)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，是投送至目標區的功率的函數。Afzal說(shuō)，“同相陣列的問(wèn)題是旁瓣;旁瓣功率不會(huì )對目標產(chǎn)生效果;同相意味著(zhù)高效，但會(huì )增大復雜性。我們認為，這種類(lèi)型的功率和戰術(shù)使用不是我們所追求的。我們追求的是最簡(jiǎn)單、最簡(jiǎn)潔的方法?！?/p>

　　3萬(wàn)瓦的“阿拉丁”演示系統有大約100個(gè)光纖激光模塊。陸軍6萬(wàn)瓦原型機所包括的光纖激光器，數量更少、功率級別更高。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)?！泵恳粋€(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)送至武器系統的激光波束指揮塔。

　　演示系統的目標之一，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、易于安裝到戰術(shù)平臺上，功率超過(guò)10萬(wàn)瓦。安裝于卡車(chē)的HEL MD，已經(jīng)對1萬(wàn)瓦的、工業(yè)化光纖激光器，試驗了其對迫擊炮和無(wú)人機的作戰能量，但是作用距離和殺傷力還有限。在2017年完成6萬(wàn)瓦系統的驗證后，計劃于2022年進(jìn)行10萬(wàn)瓦激光武器系統的試驗。

　　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(lèi)新型的激光器 。商用光纖激光器具有更高的可獲得功率，可達每光纖1萬(wàn)瓦，但波束質(zhì)量不適用于波束合成。到目前為止，激光武器的大多數點(diǎn)火試驗，使用的都是商用激光器，但是能夠通過(guò)在一個(gè)公共點(diǎn)瞄準多個(gè)波束，也就是通過(guò)部分重疊實(shí)現功率增大。美國海軍3萬(wàn)瓦激光武器系統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(kāi)展作戰評估。

　　“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(chē)的發(fā)動(dòng)機失效。 模塊化光纖激光器的優(yōu)勢是，規?？勺?、易于冷卻和包裝。采用模塊化設計時(shí)，可以通過(guò)在機架上增加更多的模塊，變化規模、增大功率。每一個(gè)模塊均單獨冷卻;增加模塊，就相應增大冷卻系統的規模，但復雜度并不增加。系統是并行的，而不是串行的。之前，我們常常會(huì )遇到規模調整問(wèn)題，當激光器的功率增大、平板尺寸更大時(shí)，無(wú)法解決熱的冷卻問(wèn)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)機柜中。所有模塊相互獨立，光纖發(fā)送功率?？哲娧芯繉?shí)驗室(AFRL)目前正在為第六代戰斗機尋求激光武器系統;在第六代戰斗機上，激光器模塊將在整個(gè)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(gè)共形陣。