高功率光纤激光器即将在军事领域大展身手

光纤激光器具有固有的高效电驱动效率和高质量的波束,目前已经处于快速发展、迈向成熟的阶段。


OFweek激光网讯:光纤激光器具有固有的高效电驱动效率和高质量的波束,目前已经处于快速发展、迈向成熟的阶段。目前,对于执行防御和攻击任务的高能电动激光武器系统,军方也尚未就其开发和部署做出决策。

美国空军计划2017年对洛马研制的3万瓦光纤激光系统进行的验证,是一个重要步骤。不过,与光纤激光器形成竞争的固态激光器,其功率在验证中已经超过10万瓦,技术成熟度较高,被军方认为是潜在的、可实现尽早部署的定向能武器。

洛马公司已经开始生产光纤激光器模块,用于功率6万瓦的激光武器系统。今年4月,洛马公司获得价值2500万美元的合同,用于制造和试验模块化激光器,该激光器将集成到陆军所属、波音研制的高能激光移动验证机(HEL MD)上。洛马公司的高级研究员Rob Afzal 表示,“我们公司将在2016年底向用户交付激光器。”之前,洛马公司利用内部资金制造了一个功率3万瓦的激光系统,在保持波束质量和电驱效率的同时,验证用多个光纤激光器合成波束的可行性。Afzal介绍,模块化技术能够将激光器进行规模集成,提升功率级别达10万瓦以上;在2017年的演示结束后,陆军计划仅仅是通过增加激光器模块,将HEL MD升级到10万瓦。

与利用平板激光晶体作为获取媒介的固态激光器相比,通过二级泵浦形成的长时间光学光纤而生成的激光波束,具有更高质量的波束、更高效的电动效率,但功率量级却低一些。光纤激光的波束由多个光纤高效组合而形成单一的高功率波束。洛马公司宣称,该公司研制的激光系统效率达到了40%,降低了整个武器系统对功率生成和冷却的要求。Afzal表示,基于波束组合的光纤激光器,功率更大、波束质量更高,从而能够在更远的距离范围外,向目标发射更多的能量。这样,就能够提高作战距离或减少失败几率,从而使激光武器系统能够实现对多个目标的“射击-观测-射击”。洛马采用的是光谱波束合成技术。每一个光纤激光模块的输出,波长会有些稍微的不同。衍射格栅通过将波束一个在一个上面地排列进行波束合成,形成一个单频的高功率波束,类似棱柱分解光的逆过程。

与其它高功率激光器采用的一致波束合成技术相比,光谱波束合成技术能获得最高的“桶中功率”效率;“桶中功率”效率是一种波束质量测量方法,是投送至目标区的功率的函数。Afzal说,“同相阵列的问题是旁瓣;旁瓣功率不会对目标产生效果;同相意味着高效,但会增大复杂性。我们认为,这种类型的功率和战术使用不是我们所追求的。我们追求的是最简单、最简洁的方法。”

3万瓦的“阿拉丁”演示系统有大约100个光纤激光模块。陆军6万瓦原型机所包括的光纤激光器,数量更少、功率级别更高。Afzal解释到,“几乎一个光纤激光
器功率为1千瓦,还能够增加5-10%的能量。这是光谱波束合成技术的最大优点。”每一个激光器模块的末端,是一个传送光纤;该光纤就是波束合成匣的末端。波束
合成后的输出,是一个单频的高功率波束,该波束被发送至武器系统的激光波束指挥塔。

演示系统的目标之一,就是掌握激光器的制造方法并获得其组元的工作寿命。生产型激光器的模块,鲁棒性更高、易于安装到战术平台上,功率超过10万瓦。安装于卡车的HEL MD,已经对1万瓦的、工业化光纤激光器,试验了其对迫击炮和无人机的作战能量,但是作用距离和杀伤力还有限。在2017年完成6万瓦系统的验证后,计划于2022年进行10万瓦激光武器系统的试验。

洛马自主进行光纤激光器的研制,是出于对高波束质量的需求,但所采用的元件是商用光学光纤和泵浦二极管等。激光器领域已经发生了两项变革:远程通信和工业化切割/焊接。洛马充分运用了这两项变革技术,研制了一类新型的激光器 。商用光纤激光器具有更高的可获得功率,可达每光纤1万瓦,但波束质量不适用于波束合成。到目前为止,激光武器的大多数点火试验,使用的都是商用激光器,但是能够通过在一个公共点瞄准多个波束,也就是通过部分重叠实现功率增大。美国海军3万瓦激光武器系统的原型机就是这么处理的,该原型机已经在部署于波斯湾的两栖船坞运输舰“庞塞”号上进行了部署,开展作战评估。

“雅典娜”武器原型机,采用了“阿拉丁”光纤激光器,在试验中使一辆卡车的发动机失效。 模块化光纤激光器的优势是,规模可变、易于冷却和包装。采用模块化设计时,可以通过在机架上增加更多的模块,变化规模、增大功率。每一个模块均单独冷却;增加模块,就相应增大冷却系统的规模,但复杂度并不增加。系统是并行的,而不是串行的。之前,我们常常会遇到规模调整问题,当激光器的功率增大、平板尺寸更大时,无法解决热的冷却问题。

模块包装的灵活性,是光纤激光器的另一个优点。模块可以垂直或水平架放,或者放在两个机柜中。所有模块相互独立,光纤发送功率。空军研究实验室(AFRL)目前正在为第六代战斗机寻求激光武器系统;在第六代战斗机上,激光器模块将在整个飞机上呈分布式安装,波束由牢牢穿越机体的光纤进行传送,所有光纤在机身表面形成一个共形阵。


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95919000:2017-07-27 02:44:12