高功率光纖激光器即將在軍事領域大展身手
美國空軍計劃2017年對洛馬研制的3萬瓦光纖激光系統進行的驗證,是一個重要步驟。不過,與光纖激光器形成競爭的固態激光器,其功率在驗證中已經超過10萬瓦,技術成熟度較高,被軍方認為是潛在的、可實現盡早部署的定向能武器。
洛馬公司已經開始生產光纖激光器模塊,用于功率6萬瓦的激光武器系統。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。”之前,洛馬公司利用內部資金制造了一個功率3萬瓦的激光系統,在保持波束質量和電驅效率的同時,驗證用多個光纖激光器合成波束的可行性。Afzal介紹,模塊化技術能夠將激光器進行規模集成,提升功率級別達10萬瓦以上;在2017年的演示結束后,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激光器相比,通過二級泵浦形成的長時間光學光纖而生成的激光波束,具有更高質量的波束、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效率達到了40%,降低了整個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、波束質量更高,從而能夠在更遠的距離范圍外,向目標發射更多的能量。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現對多個目標的“射擊-觀測-射擊”。洛馬采用的是光譜波束合成技術。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相比,光譜波束合成技術能獲得最高的“桶中功率”效率;“桶中功率”效率是一種波束質量測量方法,是投送至目標區的功率的函數。Afzal說,“同相陣列的問題是旁瓣;旁瓣功率不會對目標產生效果;同相意味著高效,但會增大復雜性。我們認為,這種類型的功率和戰術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的最大優點。”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。生產型激光器的模塊,魯棒性更高、易于安裝到戰術平臺上,功率超過10萬瓦。安裝于卡車的HEL MD,已經對1萬瓦的、工業化光纖激光器,試驗了其對迫擊炮和無人機的作戰能量,但是作用距離和殺傷力還有限。在2017年完成6萬瓦系統的驗證后,計劃于2022年進行10萬瓦激光武器系統的試驗。
洛馬自主進行光纖激光器的研制,是出于對高波束質量的需求,但所采用的元件是商用光學光纖和泵浦二極管等。激光器領域已經發生了兩項變革:遠程通信和工業化切割/焊接。洛馬充分運用了這兩項變革技術,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,可達每光纖1萬瓦,但波束質量不適用于波束合成。到目前為止,激光武器的大多數點火試驗,使用的都是商用激光器,但是能夠通過在一個公共點瞄準多個波束,也就是通過部分重疊實現功率增大。美國海軍3萬瓦激光武器系統的原型機就是這么處理的,該原型機已經在部署于波斯灣的兩棲船塢運輸艦“龐塞”號上進行了部署,開展作戰評估。
“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的發動機失效。 模塊化光纖激光器的優勢是,規模可變、易于冷卻和包裝。采用模塊化設計時,可以通過在機架上增加更多的模塊,變化規模、增大功率。每一個模塊均單獨冷卻;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,我們常常會遇到規模調整問題,當激光器的功率增大、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,光纖發送功率。空軍研究實驗室(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飛機上呈分布式安裝,波束由牢牢穿越機體的光纖進行傳送,所有光纖在機身表面形成一個共形陣。
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