超高強度激光的應用現(xiàn)狀與展望

超高強度激光的應用現(xiàn)狀與展望一、引言自1960年7月梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器以來，經(jīng)過五十年的發(fā)展，人們在激光的研究上突破了許多技術難題并取得了相當?shù)某删?。激光被發(fā)明以來，以其方向性強、單色性好、高亮度和高度的時空相干性引起了科學家們特別是軍事家們的廣泛關注，經(jīng)過科學家們的不懈努力，今天的激光儀器無論是從工作原理、實驗手段，還是制造工藝都已逐步成熟。特別是超高強度激光激光日益受到各大軍事強國的重視，并有望成為未來軍事技術發(fā)展中最活躍的一個領域之一。迄今為止，超高強度激光在軍事領域已經(jīng)廣泛應用于定向能武器、航空航天等諸多國防領域，大大提高了軍隊在高技術戰(zhàn)爭條件下的打擊與防御能力。同時，超高強度激光的軍轉民技術也得到了很大的發(fā)展。二、超高強度激光的應用現(xiàn)狀激光的應用主要是利用激光方向性強、單色性好、高亮度和高度的時空相干性的特點而被科學家們看好。在軍事領域，激光可以用于實施常規(guī)打擊，航空航天中的點火推進控制燃燒，偵察與反偵察，精確制導，保密通信和飛行器姿態(tài)定位等，而這些激光應用的軍轉民成果在民用領域也必將有著廣泛的應用前景。下面我們以激光在軍事領域的應用為主并有針對地介紹一些激光軍事應用技術的軍轉民成果和研究方向。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技術已有長足的進步，成功地進行了一系列的激光打靶試驗，證明激光武器是可實現(xiàn)的，并且具有如下特點?？焖伲杭す馐怨馑偕湎蚰繕耍鋼魰r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，能在短時間內射殺多個目標。精確：可將能量聚焦于很細的激光束，精確地擊中目標甚至目標的脆弱部位。不受電磁干擾。戰(zhàn)術激光武器包括“硬殺傷”激光武器和“軟殺傷”激光武器兩種。前者是利用強激光束破壞目標；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較為成熟，是當前的發(fā)展重點?，F(xiàn)代飛機、導彈等武器裝備中有多種電子和光電探測設備，如制導系統(tǒng)、導航儀、夜視儀、紅外探測器等，這些設備很精密，也很脆弱，只需較小的能量就可進行干擾或破壞，使整個武器裝備失控或失效。人眼也是如此，激光會使它暫時甚至永久失明。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月進入全面工程研制，1995年通過美國陸軍的定型鑒定。試驗表明，它可破壞8公里內的光電傳感器。海灣戰(zhàn)爭后期美軍曾把兩臺樣機運到海灣戰(zhàn)場準備試用，因戰(zhàn)爭很快結束而未進行。激光武器也有弱點，主要是：隨著射程增加，落在目標上的光斑增大，能量密度降低，破壞力減弱，有效作用距離因此受到限制；在地面或飛機上使用，大氣對激光有較強的衰減作用，不良天氣、戰(zhàn)場煙塵、人造煙幕等對激光的衰減作用更大，大氣的折射和擾動也會給瞄準目標帶來困難；激光器的能量轉換效率較低，需要有充足的能源供應，因此在目前技術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域有著廣泛的應用，在此，主要介紹的是現(xiàn)今處于研究前沿的激光點火、推進和控制燃燒的技術。（1）激光點火：激光點火技術作為一種新型的點火技術已越來越受到各個國家的重視。當激光強度足夠高、光斑直徑足夠小、輻射熱流密度足夠高時，熱吸收速率就會遠遠大于熱擴散速率而使能量迅速積累，從而使激光點火成為可能。這種技術使燃料在低溫條件下實現(xiàn)爆震燃燒成為可能，大大提高了普通發(fā)動機達到超音速飛行推力。一般，點火過程受AP的表面積、燃燒推進劑、初溫和熱流密度等因素影響較大，而激光點火能夠獨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的有效性，使用燃燒性能差、在1000攝氏度時才能燃燒的甲烷進行了實驗，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：激光推進技術是將激光的能量轉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技術。激光推進方法于1971年首次提出，現(xiàn)今已經(jīng)成為國際上日益引起關注的先進推進技術之一。主要分為兩種方式：一是利用激光和工質相互作用產(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產(chǎn)生推力，即借助太陽光壓來推動飛船，實現(xiàn)無燃料航行。（3） 激光控制燃燒：激光控制燃燒技術是一種隨著航天航空技術要求的提高而產(chǎn)生新型燃燒控制技術，指的是采用激光維持燃燒設計，可任意節(jié)流和熄滅-重起燃燒的推進控制方法。在推力器的設計上，“非自主燃燒推進劑”的燃燒由激光照射控制，激光照射時燃燒進行，反之，燃燒就會停止。用這種方法，可制成高效率的非自主燃燒推進的激光控制的微型推力器。實驗表明，在1kpa-100kpa的背壓下，固體推進機的燃燒可由5w-30w的激光照射控制，燃燒能任意中止和重啟，推力可任意調節(jié)，因此大大提高推進系統(tǒng)的性能，有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ⒊邚姸燃す獾奈磥碚雇?、激光核聚變與超高強度激光20世紀60年代初,我國激光核聚變研究剛剛起步的時候,錢學森院士就形象地指出:你們的事業(yè)是在地球上人造一個小太陽!！太陽的巨大能量來源于聚變反應，即兩個氘核在高溫高壓下聚合成一個氦核并釋放出攜帶動能的中子。人造小太陽，就是要在地球上實現(xiàn)類似的聚變反應。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容和目標。經(jīng)過近半個世紀的努力探索 ，伴隨著高功率激光技術的長足發(fā)展，激光聚變研究取得重大進展，聚變點火的曙光已經(jīng)顯現(xiàn)。聚變能源的前景雖還遙遠但是可望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產(chǎn)圖1慣性約束聚變基本概念示意圖對于光驅動器能用于實現(xiàn)聚變點火的歷史目標，我們理解至少有兩個方向：一是向縱深發(fā)展，這就是高能量密度科學(HEDS);另一個就是向應用發(fā)展，這就是聚變能源開發(fā)。它們對第三代驅動器的要求，可以概括為四高一復合，即高效率、高光束質量、高峰值功率、高可靠性、復合工作體制。高效率:首先要求裝置總體能量轉換效率由目前的不到 1%逐步提升到10%其次,要求進一步提升裝置總體的運行發(fā)射效率。高光束質量：突破傳統(tǒng)的光束質量概念，首先應根據(jù)不同應用領域對強激光 束控制的基本要求，探索與發(fā)展若干創(chuàng)新性技術，分別在時域、空域或頻域實現(xiàn)對高功率激光脈沖的振幅 (強度)、位相和偏振的主動控制，即發(fā)展強激光脈沖全域控制理論和技術；其次,根據(jù)高能量密度物理實驗的相關要求研究與發(fā)展干凈光束或干凈脈沖的基本概念與技術。高可靠性：加強系統(tǒng)關鍵技術與工程化研究，提升裝置長壽命、皮實性、模塊化、標準化，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)展為多運行體制、多脈寬體制、多波長體制等系統(tǒng)?多運行體制是由單脈沖運行體制向單脈沖、脈沖串、低重復頻率等運行體制發(fā)展；多脈寬體制是由單一脈寬輸出體制向納秒、皮秒、飛秒脈沖同時零抖動輸出體制發(fā)展(即FPN兼容體制)；多波長體制是由單一波長輸出體制向多波長脈沖同時輸出體制發(fā)展?為發(fā)展第三代激光驅動器，需要在以下幾個方面開展創(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、倍頻和控制為基礎的理論體系，逐步研究并構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的理論體系，為研究與完善高功率激光驅動器新的總體技術路線奠定堅實的理論基礎。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總體技術路線,以

便適應未來HEDSff究多樣性、靈活性和不確定性對未來高功率激光驅動器的基本要求。研究與發(fā)展新的激光與光學材料，包括新型激光介質材料(激活粒子、激光介質)、新型光學功能材料(倍頻、光束控制)和新型高抗損傷特性的紫外光學材料。研究與發(fā)展更高能量轉換效率的 泵浦源(如高功率激光二極管)與相關配套技術，包括高效冷卻技術、高效耦合單元等。研究與發(fā)展基于新原理、新機制為基礎的新型激光元器件，如新型位相元件、近場濾波元件等。研究與發(fā)展新型激光單元技術，如高效率、高可靠性激光放大器，重頻光開關，重頻光束補償技術等。對上一朮?。莅隤!引；““式頓騙HNIC'■'Ha對上一朮?。莅隤!引；““式頓騙HNIC'■'Ha4-J JtfrS.jfliHU*點丸星WtWlFJHf*sf?viitnMJ圖2美國國家點火裝置及點火實驗計劃2、高功率激光驅動器終端光學組件高功率激光驅動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動器，如美國 2009年建成的國家點火裝置，法國正在建設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高功率激光驅動器的基本組成兆焦耳高功率激光驅動器通常由上百路激光構成，利用釹玻璃作為增益介質，采用多程放大技術以獲得兆焦耳級的能量輸出。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的光纖放大器，產(chǎn)生納焦耳級脈沖；經(jīng)過脈沖整形后，進入預放大器將脈沖能量放大至焦耳量級；然后，進入由功率放大器和多程主放大器組成的主激光系統(tǒng)，將單束激光能量進一步提升至數(shù)十千焦耳量級；最后進入終端光學組件將激光波長從1053nm轉換至351nm并聚焦至真空靶室靶點，獲得1014w/cnr以上的聚焦功率密度。終端光學組件是高功率激光驅動器的核心單元之一，它位于整個激光鏈路的末端，實現(xiàn)激光頻率轉換，完成激光聚集和精確定位，提供各種極端狀態(tài)的實驗條件。作為激光驅動器的輸出界面，終端光學組件體現(xiàn)了整個驅動器的綜合性能，并直接決定了物理實驗的效果，其功能和性能要求是激光驅動器中最為復雜的單元之一。另一方面，終端光