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美国海军委托波音公司设计高能自由电子激光器

2009-05-05 15:17
小鱼时代
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       自由电子激光器是美国海军定向能武器的核心部件

       国防承包商波音公司最近得到了五角大楼一笔总额高达1.63亿美元的订单,波音公司将开发用于定向能武器系统的自由电子激光(FEL)技术。

       这个项目第一年的内容是写出一个初步的设计概要,波音将得到690万美元的资助。如果这一步成功,接下来将开发一个100kW的实验室演示系统,然后是海洋环境中的实地测试。

       “自由电子激光器是目前唯一符合海军舰船防御要求的,具备兆瓦功率的全电子激光器。独特的特征使得自由电子激光器可以通过调谐光束波长来增强其在海洋大气中的传输。波音具备海上准确瞄准一个小目标的设计能力,因此这个系统能够在最短时间内摧毁目标。”波音公司的负责人表示。

       最近一段时间自由电子激光器的技术突破已经使得这个新项目有成功的可能,波音公司表示。这些进展包括Thomas Jefferson国家加速器实验室开发出了功率为15 kW的连续波长激光器,使用了超导粒子加速技术。

       “Jefferson实验室取得成功之后,许多美国科研单位竞相研究自由电子激光器,主要基于能量恢复线性加速器(energy recovery linear accelerators ,ERLs),采用了下一代X射线源,大大丰富了对ERL和自由电子激光器的研究。波音公司早在上个世纪80年代就开始研究FELs,相信能够把这项技术从实验室发展到实地测试。”该公司表示。

高能自由电子激光器武器使用想象图

       自由电子激光器简介

  一种利用自由电子的受激辐射,把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由电子受激辐射的设想曾于1951年由Motz提出,并在1953年进行过实验,因受当时条件的限制,未能得到证实。1974年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论,并首次在毫米波段实现了受激辐射;1976年Madey小组第一次实现了激光放大,1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。它由一根抽成真空的长5.2米的铜管组成,外面绕有超导导线,以便在整个管上产生一个周期为3.2厘米的变化的横向静磁场,轴上磁感应强度B_0为0.24特斯拉。铜管两端装有反射镜组成谐振腔,腔长12.7米,输出镜面的反射率为1.5%,能散度小于3\times10^{-3}的43.5兆电子伏的电子束由超导加速器产生。.

自由电子激光器和微波激射器



  电子束通道直径为10.2毫米,电子束的平均电流为132微安,峰值电流为2.6安。电子束注入交变磁场后被迫在管中螺旋前进,由磁致辐射效应产生光辐射,光在两镜面之间来回反射,并与电子束相互作用,形成受激康普顿散射,获得波长为3.417微米,线宽为0.008微米,平均功率为0.4瓦,峰值功率为7千瓦的相干红外福射。通过稳定的电子束来泵浦,配置电子贮存环让电子束再加速并再循环使用,用静电方法或逆向运转的射频线性加速器使电子减速以充分利用出射电子束的剩余能量,使用上述任何一种方法都可以进一步增大总体效率。

  自由电子激光器输出的激光波长\lambda _s与电子的能量E有关:\lambda _s \sim 1/E^2,故改变电子束的加速电压就可以改变激光波长,这叫做电压调谐,其调谐范围很宽,原则上可以在任意波长上运转。在现有的电子枪和加速器的实验条件下,可以获得从毫米波到1000Å的光频波段范围内的连续调谐的相干辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度以及磁感应强度B_0有关,它可望成为一种高平均功率、高效率(理论极限达40%)、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件,采用它能够避免某些工艺上的麻烦(如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃),另外,它基本上不存在使用寿命问题。

  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大主攻方向上,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,它应用的前景也很可观。

编译:光电新闻网 曾聪

 

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