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中国光纤激光器屡获突破中美差距仍有5到1

2019-03-14 02:48:05

中国光纤激光器屡获突破 中美差距仍有5到10年

作者:未知 来源:腾讯军事

今年以来,国内激光器研发领域捷报频传。4月23日,我国首台万瓦连续光纤激光器在武汉光谷问世,成为继美国后第二个掌握此技术的国家。从新华社报道来看,这台由武汉锐科公司研制的光纤激光器采用相干合成技术,将10个功率为1.1千瓦光纤激光器的激光束合成一束,终产生1万瓦的强大能量。

而3月份,《中国科学报》也报道了国防科技大学光电科学与工程学院刘泽金教授的成果。

中国光纤激光器屡获突破中美差距仍有5到1

报道称刘泽金教授率领课题组,发明了两种新的相位控制方法,令"千瓦级光纤激光相干合成试验系统"的各项技术指标都达到该领域的国际水平。

《中国科学报》同月还报道了中国科学院半导体所林学春研究员的事迹。报道中提到中科院已实现全固态激光器输出功率达到8千瓦,而5千瓦级的全固态激光器已实现工业化应用。

高平均功率的全固态激光器是当前激光器研发领域的热点,不但在工业领域得到广泛应用,美国军方还直接以商用全固态激光器为核心,研发激光武器。那么中国的激光器研发在世界上是什么水平?

先来进行一系列的名词解释。什么是激光?1958年,美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并获得1964年的诺贝尔物理学奖。激光原理的物理学描述是,当物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生一种不发散的强光。

从上述描述我们可以看出激光器需要有能量输入(电注入、高能电子束注入、光源、气体放电、化学反应的能量等)和工作物质(将各种形态的能量输入转换为不发散的激光)。所以根据工作物质的形态分类,激光器可以分为固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器和自由电子激光器。

全固态激光器是指以半导体激光器为一部固体激光器输入能量的激光器。它集半导体激光器和固体激光器的优点于一体,具有体积小、重量轻,能量转换效率高,光束质量好,可靠性高,寿命长,启动速度快等一系列优点。

而固体激光器以掺有金属离子的晶体或玻璃基质为工作物质。所以根据工作物质的形状,全固态激光器又可以分为棒状激光器、板条激光器、盘片激光器和光纤激光器。其中,光纤激光器以双包层掺镱光纤为工作物质,其制造成本低廉、可挠性带来的小型化优势令其受到工业界的特别关注,所以在描述上一般将前三类统统称为全固态激光器,光纤激光器被单独列出。

出于弹道导弹防御的需求,美国军方从70年代起就非常注重大功率激光武器的研制。其中进展的是ABL项目的氧碘化学激光器(属于气体激光器),该激光器以波音F为载机,输出功率达到兆瓦级,目标是摧毁数百公里外处于助推段的洲际导弹。尽管ABL在2010年进行两次成功的打靶测试,但美国军方认为激光器功率还要提升倍,距离研制目标过远。所以,在军费削减的大形势下,ABL项目下马转为技术储备,项目名称也改为ALTB。

美国陆军在90年代还与以色列联合研制了战术高能激光武器(THEL)。这是一款氟化氘化学激光器,目标输出功率达到40万瓦,可拦截10公里外的飞机、火箭弹等。1996年,该激光器在白沙导弹靶场击落2枚飞行中的苏制122毫米火箭弹。THEL存在体积巨大,无法装载在地面车辆上、化学工质储备麻烦等战术缺陷,终也未能实用化。

化学激光器具有输出功率大的优势,所以早受到军方重视,但体积过于巨大是其致命缺陷。中国在这一领域的研究鲜有曝光,所以难以比较,但应该难以企及美国,毕竟别人的产品已进行实弹打靶测试。

近年来,全固态激光器在输出功率上不断取得突破,在工业领域受到热捧,美国军方此时又将目光转回。全固态激光器虽然在输出功率上不及化学激光器,但其输出功率的不断提高也开始接近100千瓦的武器化门槛,而且其在小型化上有着无可比拟的优势。

美国陆、海、空三军在2002年发起联合高功率固体激光武器项目(JHPSSL)。2009年该项目取得重大突破,诺·格公司将7个输出功率15千瓦的板条全固态激光器进行光束相干合成,得到功率为105千瓦的高能光束。至2010年该激光器已累计运行超过6小时(这6小时功率都在100千瓦以上)。

美国海军还自行发展了激光近距离武器系统(LaWS),项目承包商为雷锡恩公司,目标是将该激光武器系统安装在密集阵武器系统侧面,激光器可对付15千米外的目标,保留的20毫米加特林速射炮负责1.5千米距离上的目标。LaWS采用了6台IPG公司生产的5千瓦级光纤激光器,实现总输出功率32千瓦。值得一提的是,LaWS为了降低系统复杂程度,并未采用光束相干合成技术,而是选择将6条光纤紧密排列。LaWS系统在2012年8月进行首次海上打靶试验,成功击落无人靶机。LaWS项目的目标是获得100千瓦输出功率,按照美国商用光纤激光器目前发展的速度,该目标在2016年实现并不是遥不可及的目标。

现在我们可以看出在固体激光器领域,国内产品与美国的差距。我国8千瓦级的全固态激光器今年还处于实验室状态,而美国在09年已将15千瓦级产品用于激光武器。我国的单模光纤激光器输出功率今年还是1千瓦级,美国也在09年将5千瓦产品武器化。而作为行业翘楚的美国IPG公司在09年还展示10千瓦级的单模光纤激光器,武汉锐科在今年将10个单模光纤激光器通过光束相干合成才获得10千瓦的输出。可以说,单在输出功率方面,乐观估计,我国全固态激光产品与美国还有年的差距。

美国军方现在执行的激光项目繁多,除了前述的JHPSSL和LaWS,还有HELTD、MLD激光武器演示项目。HELTD、MLD研究的是激光武器跟踪、瞄准控制,简单地说,JHPSSL是激光炮,HELTD、MLD则是它的炮座,前者是装在一辆高机动越野卡车上,后者装在军舰上。在光纤激光器方面,美军还有100千瓦级吊舱式激光武器、10千瓦级MK-38-TLS反小艇系统两个项目。此外美军还进行自由电子激光(FEL)器的预研,JHPSSL项目也在新型板条、光纤、盘片激光器领域进行探索,期望提高激光器的能量转换效率。

从美国激光器的发展历程来看,除了军方重视投入大量资金外,其商用激光器技术进步在激光武器化方面也起了关键作用,在全固态激光器领域,其军用与商用已出现相互促进提高的态势。

激光武器现在已突破小型化限制,不多久就可在军舰、战斗机上实际装备,现有的导弹武器可能会失去原有价值,一场新的军事革命即将来临。

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