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未来高能激光器的技术挑战

导读: 在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室,固态热容激光器(SSHCL)项目经过几代激光研发的努力,目前性能已经接近100kW,该项目是许多设计将激光器功率用于定向能武器项目之一。

  在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室,固态热容激光器(SSHCL)项目经过几代激光研发的努力,目前性能已经接近100kW,该项目是许多设计将激光器功率用于定向能武器项目之一。所有这些项目都存在许多普遍的技术障碍需要克服,从而使技术方案具有可行性。本文将对高能激光器工艺和技术途径的一般问题进行深入的讨论。虽然SSHCL的设计相对简单,但在完成该特殊系统时仍然有许多技术挑战没有揭示出来。本文将给出这些项目及其技术革新的回顾。SSHCL整个系统设计,技术优势、劣势及最近的实验结果也将一一给出。

  1、引言

        自从激光器出现半个世纪以来,试图以较小的技术革新得到更高的输出功率已经激发了各种技术领域的技术攻关,从脉冲功率二极管激光器到高效高功率二极管激光器,再到透明的陶瓷激光器,特别是高功率高效率激光泵浦源的出现,已经引领了高功率激光系统设计再一次恢复生机,它的效率可以达到两位数。技术改进不仅局限于固态领域,二极管激光器泵浦也应用于气体和液体激光器。二极管激光器不仅用于大体积的固态激光器,而且最高整体效率的一些激光器项目也是通过二极管激光器泵浦制导固态增益介质达到的(即光纤激光器)。

  虽然取得了一些技术进展,但军用高功率固态激光器的发展仍处于萌芽阶段。例如,ABL和MTHEL激光器,已经建议用于空对空和地对空导弹防御、扫雷和排除路边炸弹(IED)。固态激光器的典型工作波长在1μm左右,传播特性和激光目标相互作用动力学仍然不很明了。因此,对于特殊应用,需要多少激光能量仍然未知。已经提出将100kW作为许多推荐应用的阈值功率。但是,基于大气传输模型和激光目标相互作用基准的评估得到的数据和其它波长或者功率级别得到的数据矛盾。利用LLNL的SSHCL已经进行了一些实验,提高了对大气传输和激光目标相互作用的理解。已经进行了扫雷的完整实验,但在目前的功率级别评估世界范围内数量众多的地雷,使用300个排雷器将花费数年时间才能排除所有地雷。最大不确定性区域的实验数据库需要不断扩充。

  利用现在的几十千瓦系统,可以评估高强度近红外1μm波长激光的传输性能。白沙靶场(WSMR)和LLNL300具有外场实验能力,不仅可以支持这些激光系统装载到移动平台上,也可以测试不同的传输作用距离和移动目标。剩下的工作就是安装系统并开始做实验。

  在目标相互作用领域,LLNL目前正工作于不同相互作用的实验场景中,并与实际目标材料相比较。但仍然有更多工作需要去做。已经有证据表明,激光器不能工作于不同应用场景中,因为激光损伤的减轻会导致收效甚微,给设备涂上白油漆、安装反射镜或使用更好的反光材料,从而使激光器能量重新反射回设备本身,并且能有效地摧毁它。除了要考虑每种材料都具有一个损伤阈值,上述情况也是真实存在的。材料损伤阈值能达到多高?白油漆大概有90%的反射率(扩散),金属镜可以达到96%~98%的反射率(能量吸收的剩余部分),介质反射镜的反射率超过99.8%。介质镜存在几个缺点,它们的方向性和制作要求都很苛刻。介质镜通常具有方向性,制作的介质镜通常工作在宽光谱和角度带宽上。但是,这通常也会增加制作成本和复杂性。制作坚固、高损伤阈值的膜层,其要求通常令人心存畏惧。这需要精确控制的真空沉积设备。

        为了评估激光器作用于特殊目标的效果,必须完成激光防护方案的设计。合理的参数值、低成本、没有特定硬件或者材料要求,一般能达到98%的反射率(2%的吸收)。对于100kW的激光器,就有2kW的吸收功率。2kW在多大强度能够超过防护技术的损伤阈值呢?对于涂油漆这种情况,在每平方厘米十几瓦特的能量密度范围能够超过此种情况的损伤阈值。因此.对于100kW激光,在20cm2面积上仅吸收2%的能量,即超过了损伤阈值。一旦如此,目标将很快被烧蚀和破坏。

  目标相互作用与传输研究必须与目前DPSLL系统设计的发展一同进行。若非如此,不成熟的淘汰程序将导致建成一个错误定义应用场合的不适当的系统。

  SSHCL上波前控制的最新发展,利用清洁、低吸收率材料及镀膜,被动极化控制和增加控制点数量,泵浦均匀性得到了实时增强,因此整个传输能量在6个月时间内增加了20倍以上。以这样的发展速度,DPSSL将在几年后达到100kW量级的里程碑。下文将给出为了实现该目标而提出的技术改进及沿着这条技术路线遇到的普遍相关问题。

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