【深度】定向能武器研究报告（二）激光器的六大种类及工作原理

查看原文

其他

【深度】定向能武器研究报告（二）激光器的六大种类及工作原理

Original 2018-02-03 学术plus 学术plus

【学术plus】新添加号内搜索功能！

进入公众号→点击菜单【智库扫描】→【搜搜文章】

→输入关键词→一键检索您需要的文章。快来试试！

【兼职】神秘岗位正在向你招手，敢来么？

【厚度】学术plus年终巨献：2017年你不可以错过的重磅报告们！（全文阅读链接）

《武器与装备研究选编》

第六部分：定向能武器研究报告

（二）

定向能武器

激光器的种类及工作原理

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它的出现标志着人们具有了驾驭尺度极小、数量极大、运动混乱的分子和原子发光过程的能力，激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念为激光奠定了理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，两个光子同时发射出来且发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

此后随着量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。

1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中且纤细的红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。从此标志着激光器的诞生，在随后的几十年中，各类激光器相继问世，目前按激光生成方法可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、自由电子激光器、光纤激光器和液体激光器等

（一）气体激光器

气体激光器是利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。

化学激光器是一类特殊的气体激光器，其特点是泵浦源为化学反应所释放的能量而非电能。这类激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置。前者可以在2.6～3.3微米之间输出15条以上的谱线；后者则约有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。其它化学分子激光器包括波长为4.0～4.7微米的溴化氢（HBr）激光器，波长4.9～5.8微米的一氧化碳（CO）激光器等。迄今唯一已知的利用电子跃迁的化学激光器是氧碘激光器，它具有高达40%的能量转换效率，而其1.3微米的输出波长则很容易在大气中或光纤中传输。氧碘激光器在体积、功率、重量和可靠性上形成了一个平衡。但是化学激光器共有的缺点就是需要耗用大量的化学燃料，这使其体积庞大，且激光器排放的尾气对环境会造成污染甚至伤及自身。

（二）固体激光器

固体激光器的工作物质为固体激光材料，一般采用光学透明的晶体或者玻璃作为基质材料，掺入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，且有窄的荧光谱线，但缺点是不易生长出大尺寸材料的晶体。

美国诺斯罗普•格鲁曼公司在2009年1月实现了固体激光器105千瓦的输出，该激光器由7个15千瓦的FireStrike激光模块组成。100千瓦功率一向被视为武器级高能激光的门槛，这预示着固体激光器距离实际的激光武器又近了一步。

图1 诺斯罗普•格鲁曼公司研制的高能固体激光器

根据诺斯罗普•格鲁曼公司的资料说明，FireStrike激光模块性能相当不错，输出功率15千瓦光束质量达1.5倍衍射极限，从开机到全功率输出只需要0.5秒，其激光输出时间只受到输入能量和冷却系统的限制。在体积和重量上，宽深高分别为13/30/9英寸(33/76.2/22.9厘米)，单个模块重量400磅（181千克）。这样的体积、重量和性能已经具备实战能力。

固体激光器的迅猛发展，为战术激光武器的发展提供了新的方向。相比化学激光器、自由电子激光器，固体激光器价格便宜且体积和重量上得到了更好的控制，便于小型化、模块化和通用化，从而提高了激光武器的机动性和可靠性。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，再加上其它的损耗，因此目前固体激光器电光转换效率一般不超过20%，当需要获得高能激光输出时，其供电和散热都难以解决。

（三）半导体激光器

半导体激光器的工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

半导体二极管激光器是应用最为广泛的一类激光器。它体积小、寿命长，在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

（四）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，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。

图2 自由电子激光器工作原理的示意图

自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四个主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，其应用的前景也很可观。

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DDG-1000等下一代驱逐舰以及CVN—21等级的航空母舰上。

相比其它类型的激光器，自由电子激光器最大的优势是其波长可调谐的特性。自由电子激光器提供的强光束，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，因而它的光束不受大气干扰，使它成为舰船防御的理想激光器类型。研究表明：在近海作战中，热晕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。传统的化学激光器的波长对于沿海的环境并不是最佳的，至少60%发射功率在攻击过程中被大气散射。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，高功率反射镜制作困难，且需要大功率供电系统，目前仍得不到广泛应用。

（五）光纤激光器

光纤激光器采用的增益介质为光纤的形式，和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。

光纤激光器无论在光束质量、工作效率、结构体积和系统维护等方面均优于同等功率水平的其他激光器。其优势可以概括为以下三方面：

（1）转换效率高：光纤激光器独特的波导式结构设计，减少了不必要的能量损失，因而可以获得很高的电光转换效率。目前光纤激光器的效率一般为50%。

（2）体积紧凑散热性好：光纤具有良好的柔性，使得光纤激光器结构紧凑、易于集成。光纤材料表面积与活性介质体积比高，具有良好的散热特性，不需要庞大的制冷系统，降低了激光器的成本，并且给光纤激光器的应用带来方便。

（3）环境适应能力好：光纤激光器对灰尘、震荡、冲击、湿度等具有很高的容忍度，耐高温耐腐蚀，不受外界电磁干扰，可以在相对恶劣的环境中工作，特别适合应用于军事领域。

目前光纤激光器在激光测距、激光目标指示器、激光制导、光电对抗、激光有源干扰，激光雷达等方面都有广泛应用。

（六）液体激光器

液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或者由其他激光器发出很短的光脉冲。液体激光器发出的激光对于光谱分析、激光化学和其他科学研究，具有重要的意义。