超高強(qiáng)度激光的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

超高強(qiáng)度激光的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望一、引言自1960年7月梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來，經(jīng)過五十年的發(fā)展，人們?cè)诩す獾难芯可贤黄屏嗽S多技術(shù)難題并取得了相當(dāng)?shù)某删?。激光被發(fā)明以來，以其方向性強(qiáng)、單色性好、高亮度和高度的時(shí)空相干性引起了科學(xué)家們特別是軍事家們的廣泛關(guān)注，經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，今天的激光儀器無論是從工作原理、實(shí)驗(yàn)手段，還是制造工藝都已逐步成熟。特別是超高強(qiáng)度激光激光日益受到各大軍事強(qiáng)國的重視，并有望成為未來軍事技術(shù)發(fā)展中最活躍的一個(gè)領(lǐng)域之一。迄今為止，超高強(qiáng)度激光在軍事領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定向能武器、航空航天等諸多國防領(lǐng)域，大大提高了軍隊(duì)在高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的打擊與防御能力。同時(shí)，超高強(qiáng)度激光的軍轉(zhuǎn)民技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。二、超高強(qiáng)度激光的應(yīng)用現(xiàn)狀激光的應(yīng)用主要是利用激光方向性強(qiáng)、單色性好、高亮度和高度的時(shí)空相干性的特點(diǎn)而被科學(xué)家們看好。在軍事領(lǐng)域，激光可以用于實(shí)施常規(guī)打擊，航空航天中的點(diǎn)火推進(jìn)控制燃燒，偵察與反偵察，精確制導(dǎo)，保密通信和飛行器姿態(tài)定位等，而這些激光應(yīng)用的軍轉(zhuǎn)民成果在民用領(lǐng)域也必將有著廣泛的應(yīng)用前景。下面我們以激光在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用為主并有針對(duì)地介紹一些激光軍事應(yīng)用技術(shù)的軍轉(zhuǎn)民成果和研究方向。1、激光武器利用沿一定方向發(fā)射的激光束直接攻擊目標(biāo)的武器稱為激光武器，它是定向能武器的一種。經(jīng)過20年代的研究與發(fā)展，制造激光武器所需的各項(xiàng)技術(shù)已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，成功地進(jìn)行了一系列的激光打靶試驗(yàn)，證明激光武器是可實(shí)現(xiàn)的，并且具有如下特點(diǎn)?？焖伲杭す馐怨馑偕湎蚰繕?biāo)，射擊時(shí)一般不需要提前量。靈活：發(fā)射激光幾乎沒有后坐力，因而易于迅速變換射方向，并且射速高，能在短時(shí)間內(nèi)射殺多個(gè)目標(biāo)。精確：可將能量聚焦于很細(xì)的激光束，精確地?fù)糁心繕?biāo)甚至目標(biāo)的脆弱部位。不受電磁干擾。戰(zhàn)術(shù)激光武器包括“硬殺傷”激光武器和“軟殺傷”激光武器兩種。前者是利用強(qiáng)激光束破壞目標(biāo)；后者所需能量較低，主要用于燒傷人眼或破壞武器的電子設(shè)備和光電傳感器，所以又稱為激光致盲武器或激光反傳感器武器。激光反傳感武器技術(shù)較為成熟，是當(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn)。現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中有多種電子和光電探測(cè)設(shè)備，如制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航儀、夜視儀、紅外探測(cè)器等，這些設(shè)備很精密，也很脆弱，只需較小的能量就可進(jìn)行干擾或破壞，使整個(gè)武器裝備失控或失效。人眼也是如此，激光會(huì)使它暫時(shí)甚至永久失明。目前，美、俄、英、法、德、日等國都在積極發(fā)展激光致盲武器已于 1991年7月進(jìn)入全面工程研制，1995年通過美國陸軍的定型鑒定。試驗(yàn)表明，它可破壞8公里內(nèi)的光電傳感器。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后期美軍曾把兩臺(tái)樣機(jī)運(yùn)到海灣戰(zhàn)場(chǎng)準(zhǔn)備試用，因戰(zhàn)爭(zhēng)很快結(jié)束而未進(jìn)行。激光武器也有弱點(diǎn)，主要是：隨著射程增加，落在目標(biāo)上的光斑增大，能量密度降低，破壞力減弱，有效作用距離因此受到限制；在地面或飛機(jī)上使用，大氣對(duì)激光有較強(qiáng)的衰減作用，不良天氣、戰(zhàn)場(chǎng)煙塵、人造煙幕等對(duì)激光的衰減作用更大，大氣的折射和擾動(dòng)也會(huì)給瞄準(zhǔn)目標(biāo)帶來困難；激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，需要有充足的能源供應(yīng)，因此在目前技術(shù)條件下激光武器的體積和重量較大，限制了它的使用。2、航空航天激光在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在此，主要介紹的是現(xiàn)今處于研究前沿的激光點(diǎn)火、推進(jìn)和控制燃燒的技術(shù)。（1）激光點(diǎn)火：激光點(diǎn)火技術(shù)作為一種新型的點(diǎn)火技術(shù)已越來越受到各個(gè)國家的重視。當(dāng)激光強(qiáng)度足夠高、光斑直徑足夠小、輻射熱流密度足夠高時(shí)，熱吸收速率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱擴(kuò)散速率而使能量迅速積累，從而使激光點(diǎn)火成為可能。這種技術(shù)使燃料在低溫條件下實(shí)現(xiàn)爆震燃燒成為可能，大大提高了普通發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到超音速飛行推力。一般，點(diǎn)火過程受AP的表面積、燃燒推進(jìn)劑、初溫和熱流密度等因素影響較大，而激光點(diǎn)火能夠獨(dú)立于初溫以及氣體組分等環(huán)境參數(shù)選擇熱流，具有很高的可比性。俄專家為了證明該技術(shù)的有效性，使用燃燒性能差、在1000攝氏度時(shí)才能燃燒的甲烷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光可使甲烷在300-600攝氏度的低溫條件下燃燒。（2）激光推進(jìn)：激光推進(jìn)技術(shù)是將激光的能量轉(zhuǎn)化為飛行器初能而飛行器自身不用攜帶燃料的一種新型的推進(jìn)技術(shù)。激光推進(jìn)方法于1971年首次提出，現(xiàn)今已經(jīng)成為國際上日益引起關(guān)注的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)之一。主要分為兩種方式：一是利用激光和工質(zhì)相互作用產(chǎn)生推力。它包括空氣吸氣模式和燒蝕模式。二是利用激光顯著的光壓效應(yīng)產(chǎn)生推力，即借助太陽光壓來推動(dòng)飛船，實(shí)現(xiàn)無燃料航行。（3） 激光控制燃燒：激光控制燃燒技術(shù)是一種隨著航天航空技術(shù)要求的提高而產(chǎn)生新型燃燒控制技術(shù)，指的是采用激光維持燃燒設(shè)計(jì)，可任意節(jié)流和熄滅-重起燃燒的推進(jìn)控制方法。在推力器的設(shè)計(jì)上，“非自主燃燒推進(jìn)劑”的燃燒由激光照射控制，激光照射時(shí)燃燒進(jìn)行，反之，燃燒就會(huì)停止。用這種方法，可制成高效率的非自主燃燒推進(jìn)的激光控制的微型推力器。實(shí)驗(yàn)表明，在1kpa-100kpa的背壓下，固體推進(jìn)機(jī)的燃燒可由5w-30w的激光照射控制，燃燒能任意中止和重啟，推力可任意調(diào)節(jié)，因此大大提高推進(jìn)系統(tǒng)的性能，有極大的發(fā)展?jié)摿?。三、超高?qiáng)度激光的未來展望1、激光核聚變與超高強(qiáng)度激光20世紀(jì)60年代初,我國激光核聚變研究剛剛起步的時(shí)候,錢學(xué)森院士就形象地指出:你們的事業(yè)是在地球上人造一個(gè)小太陽!！太陽的巨大能量來源于聚變反應(yīng)，即兩個(gè)氘核在高溫高壓下聚合成一個(gè)氦核并釋放出攜帶動(dòng)能的中子。人造小太陽，就是要在地球上實(shí)現(xiàn)類似的聚變反應(yīng)。氫彈的爆炸是人為聚變成功的例證,但它是破壞性的。如果能在可控條件下有序地釋放聚變能,則可以像太陽那樣提供幾乎取之不盡的能源。這正是激光核聚變研究的內(nèi)容和目標(biāo)。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力探索 ，伴隨著高功率激光技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，激光聚變研究取得重大進(jìn)展，聚變點(diǎn)火的曙光已經(jīng)顯現(xiàn)。聚變能源的前景雖還遙遠(yuǎn)但是可望fftlH4((icr)rifiit通過向心fftlH4((icr)rifiit通過向心7■甘丹.M童苗供料出利髙si.圻1審用找肅H*1比丸專值i?屆偎一牛赳性童燒右瀬齊哺常料內(nèi)產(chǎn)圖1慣性約束聚變基本概念示意圖對(duì)于光驅(qū)動(dòng)器能用于實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的歷史目標(biāo)，我們理解至少有兩個(gè)方向：一是向縱深發(fā)展，這就是高能量密度科學(xué)(HEDS);另一個(gè)就是向應(yīng)用發(fā)展，這就是聚變能源開發(fā)。它們對(duì)第三代驅(qū)動(dòng)器的要求，可以概括為四高一復(fù)合，即高效率、高光束質(zhì)量、高峰值功率、高可靠性、復(fù)合工作體制。高效率:首先要求裝置總體能量轉(zhuǎn)換效率由目前的不到 1%逐步提升到10%其次,要求進(jìn)一步提升裝置總體的運(yùn)行發(fā)射效率。高光束質(zhì)量：突破傳統(tǒng)的光束質(zhì)量概念，首先應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?qiáng)激光 束控制的基本要求，探索與發(fā)展若干創(chuàng)新性技術(shù)，分別在時(shí)域、空域或頻域?qū)崿F(xiàn)對(duì)高功率激光脈沖的振幅 (強(qiáng)度)、位相和偏振的主動(dòng)控制，即發(fā)展強(qiáng)激光脈沖全域控制理論和技術(shù)；其次,根據(jù)高能量密度物理實(shí)驗(yàn)的相關(guān)要求研究與發(fā)展干凈光束或干凈脈沖的基本概念與技術(shù)。高可靠性：加強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與工程化研究，提升裝置長(zhǎng)壽命、皮實(shí)性、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使未來裝置或系統(tǒng)由專家系統(tǒng)向傻瓜系統(tǒng)發(fā)展。復(fù)合工作體制：即由現(xiàn)有裝置的單一工作體制，發(fā)展為多運(yùn)行體制、多脈寬體制、多波長(zhǎng)體制等系統(tǒng)?多運(yùn)行體制是由單脈沖運(yùn)行體制向單脈沖、脈沖串、低重復(fù)頻率等運(yùn)行體制發(fā)展；多脈寬體制是由單一脈寬輸出體制向納秒、皮秒、飛秒脈沖同時(shí)零抖動(dòng)輸出體制發(fā)展(即FPN兼容體制)；多波長(zhǎng)體制是由單一波長(zhǎng)輸出體制向多波長(zhǎng)脈沖同時(shí)輸出體制發(fā)展?為發(fā)展第三代激光驅(qū)動(dòng)器，需要在以下幾個(gè)方面開展創(chuàng)新性的研究工作：(1)持續(xù)開展高功率激光傳輸放大的基礎(chǔ)理論研究，將傳統(tǒng)的以窄帶脈沖產(chǎn)生、傳輸、放大、倍頻和控制為基礎(chǔ)的理論體系，逐步研究并構(gòu)建成為以寬帶激光脈沖產(chǎn)生、傳輸、放大倍頻和控制為基礎(chǔ)的理論體系，為研究與完善高功率激光驅(qū)動(dòng)器新的總體技術(shù)路線奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。⑵研究、逐步完善具有總體創(chuàng)新性意義的基于寬帶脈沖傳輸放大理論的 Hi-FPN總體技術(shù)路線,以

便適應(yīng)未來HEDSff究多樣性、靈活性和不確定性對(duì)未來高功率激光驅(qū)動(dòng)器的基本要求。研究與發(fā)展新的激光與光學(xué)材料，包括新型激光介質(zhì)材料(激活粒子、激光介質(zhì))、新型光學(xué)功能材料(倍頻、光束控制)和新型高抗損傷特性的紫外光學(xué)材料。研究與發(fā)展更高能量轉(zhuǎn)換效率的 泵浦源(如高功率激光二極管)與相關(guān)配套技術(shù)，包括高效冷卻技術(shù)、高效耦合單元等。研究與發(fā)展基于新原理、新機(jī)制為基礎(chǔ)的新型激光元器件，如新型位相元件、近場(chǎng)濾波元件等。研究與發(fā)展新型激光單元技術(shù)，如高效率、高可靠性激光放大器，重頻光開關(guān)，重頻光束補(bǔ)償技術(shù)等。對(duì)上一朮！］半P!引；““式頓騙HNIC'■'Ha對(duì)上一朮！］半P!引；““式頓騙HNIC'■'Ha4-J JtfrS.jfliHU*點(diǎn)丸星WtWlFJHf*sf?viitnMJ圖2美國國家點(diǎn)火裝置及點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)計(jì)劃2、高功率激光驅(qū)動(dòng)器終端光學(xué)組件高功率激光驅(qū)動(dòng)器是開展高能量密度物理和激光慣性約束聚變研究的有力工具，世界各大國紛紛建造各自的兆焦耳高功率激光驅(qū)動(dòng)器，如美國 2009年建成的國家點(diǎn)火裝置，法國正在建設(shè)的兆焦耳激光裝置和我國的神光系列裝置。p*1雀ri如"miswilff'h產(chǎn)drfbmiuhl滬niirrur<LM1) jwjwh*2S/— u—■■1p*1雀ri如"miswilff'h產(chǎn)drfbmiuhl滬niirrur<LM1) jwjwh*2S/— u—■■1卜廿k1_」_jirjhrizcrIM2IIUIIII.,- rM?lV轉(zhuǎn)詩門13amphfi柑n|ber(<sr,1maAtcrf?rillatDrpfmnplUtarCljber「cipljc1^l)L1瞅IrnnMixifl□pUcfinglpowerspatialaiiiplkfler亠nlwrCTHF)圖3高功率激光驅(qū)動(dòng)器的基本組成兆焦耳高功率激光驅(qū)動(dòng)器通常由上百路激光構(gòu)成，利用釹玻璃作為增益介質(zhì)，采用多程放大技術(shù)以獲得兆焦耳級(jí)的能量輸出。如美國的NIF裝置由192路激光組成可產(chǎn)生1.8mj（對(duì)于3.5ns約500TW的功率）351nm的激光能量輸出。其單束激光始于主振蕩器和激光二極管抽運(yùn)的光纖放大器，產(chǎn)生納焦耳級(jí)脈沖；經(jīng)過脈沖整形后，進(jìn)入預(yù)放大器將脈沖能量放大至焦耳量級(jí)；然后，進(jìn)入由功率放大器和多程主放大器組成的主激光系統(tǒng)，將單束激光能量進(jìn)一步提升至數(shù)十千焦耳量級(jí)；最后進(jìn)入終端光學(xué)組件將激光波長(zhǎng)從1053nm轉(zhuǎn)換至351nm并聚焦至真空靶室靶點(diǎn)，獲得1014w/cnr以上的聚焦功率密度。終端光學(xué)組件是高功率激光驅(qū)動(dòng)器的核心單元之一，它位于整個(gè)激光鏈路的末端，實(shí)現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換，完成激光聚集和精確定位，提供各種極端狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)條件。作為激光驅(qū)動(dòng)器的輸出界面，終端光學(xué)組件體現(xiàn)了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的綜合性能，并直接決定了物理實(shí)驗(yàn)的效果，其功能和性能要求是激光驅(qū)動(dòng)器中最為復(fù)雜的單元之一。另一方面，終端光