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圣杯激光器:美国海军下一代自由电子激光武器

2013-07-29 10:49
小鱼时代
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  Niowave公司正为美国海军开发下一代激光武器,并将其命名为“圣杯激光器”。美海军希望激光武器的光束功率能够在数英里外对来袭的导弹进行拦截,并且具有“无限深度的弹仓”。

  该激光器类型为自由电子激光器。由一台超导直线加速器驱动,与该公司创始人在密歇根大学建立的超导回旋加速器相类似。目前等待测试的激光器原型机设置于一个长约50英尺的混凝土隧道内,相关试验将于7月底开始进行。

  自由电子激光器( FEL)是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源。虽然传统的激光器具有极好的单色性和相干性, 但它的低功率、低效率、固定频率和光束质量差的弱点, 使它大大逊色于自由电子激光器。自由电子激光器不需要气体、液体或固体作为工作物质, 而是将高能电子束的动能直接转换成相干辐射能。 因此, 也可以认为自由电子激光器的工作物质就是自由电子。

  1977年, 由于当时已经有了超导加速器和强磁场技术条件,在美国斯坦福大学建成了世界上第一台自由电子激光器。这台激光器借助于超导直线电子加速器提供的43M ev的电子束辐射红外光。这种利用高能电子(又称相对论性自由电子)为工作物质的新型激光器得到了极高的功率输出。由于在自由电子激光器中电子能量改变是连续的,因此它的光束能在很宽的频率(或波长) 范围内连续调谐。

  自由电子激光器的工作原理

  自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器(大多数自由电子激光器的研究都采用静磁摆动器)、光子光学系统和各种监测、控制系统。

  自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质, 因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时, 受到空间周期性变化的横向静磁场作用。磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。磁铁以交替极性方式布置, 磁场为螺旋式或平面式。在该磁场作用下, 电子束在磁摆动器中一边前进, 一边有横向摆动。例如, 周期性磁场在水平面内, 电子则周期性地上下摆动。电子的横向及运动方向的改变, 表明电子有加速度。根据电磁辐射理论, 电子有加速就必然会辐射电磁波。这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波, 被称为同步辐射。同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围, 但缺乏单色性和相干性。这种自发辐射一般不很强, 峰值电流100A, 脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1W 量级峰值自发辐射功率。

  在磁场的作用下, 电子受到一个作用力而偏离直线轨道, 并产生周期性聚合和发散作用。这相当于一个电偶极子, 在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合, 产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。在有质动力的作用下, 电子束的纵向密度分布受到调制。于是, 电子束被捕获和轴向群聚。这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用, 会产生受激散射光, 使光场能量增加, 得到具有相干性的激光。这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制, 把自发辐射转换成窄带相干辐射。而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。因此, 摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。在电子通过摆动器后, 利用弯曲磁铁把电子和光分离。

  凡是能使自由电子产生自发辐射的各种机理几乎都可以产生受激辐射, 如受激康普顿辐射、受激韧致辐射、受激切伦柯夫辐射、受激喇曼散射、受激电磁冲击辐射等等。因此, 相对应有康普顿激光器、磁韧致激光器、切伦柯夫激光器、喇曼激光器等等。

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