高能光纤激光系统浅析

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1、第２０卷第１１期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１１２００８年１１月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＮｏｖ．，２００８文章编号：１００１４３２２（２００８）１１１７９５０７综述高能光纤激光系统浅析刘泽金，周朴，许晓军（国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３）摘要：对相干合成型和非相干合成型高能光纤激光系统进行了分析与比较。引入光束传输因子（ＢＰＦ）作为合成光束的光束质量评价因子，计算了单元光束质量、大气传输、跟踪抖动、相位控制等因素对合成光束质量的影响。对高能光纤激光系统的未来发展趋势进行了初步探讨。关键词：光纤激光器；高能激光；相干合

2、成；非相干合成；光束传输因子中图分类号：ＴＮ２４８文献标志码：Ａ自从双包层光纤激光器研制成功以来，单根光纤激光器的最大输出功率不断快速提升。目前ＩＰＧ光子技术公司已经研制成功６ｋＷ单模光纤激光器，该公司的１０～５０ｋＷ多模光纤激光器产品也已经被日本、德国和［１］美国等有关单位订购。在光纤放大器方面，Ｎｕｆｅｒｎ公司也于最近推出ｋＷ量级窄线宽高功率单模光纤放大［２］器的光路系统平台。由于光纤激光具有光束质量好、效率高、散热性能好等特殊优点，在远程焊接、３维切割、激光打标等工业领域得到了广泛应用。“宙斯”激光扫雷系统选择ＩＰＧ公司生产的２ｋＷ多模光纤激光器，［３］在阿富汗成功执行了扫雷任务，其在

3、恶劣的环境下稳定的表现得到美国军方一致的赞扬。波音公司用装有１ｋＷＩＰＧ光纤激光器的“复仇者”激光系统摧毁了５个简易爆炸装置（ＩＥＤ）和未爆炸武器（ＵＸＯ）目标，以及两［４］架静止在地面的小型无人机。雷神公司的激光区域防御系统（ＬａｓｅｒＡｒｅａＤｅｆｅｎｓｅＳｙｓｔｅｍ，ＬＡＤＳ）由空军研究实验室（ＡＦＲＬ）购买的一台ＩＰＧ２０ｋＷ光纤激光器和光束定向器组成，ＬＡＤＳ样机在战术时间内成功引［５］爆距离超过５０２ｍ的６０ｍｍ迫击炮弹。上述成功的案例均在较近的作用距离下完成，对于远程定向能等应用领域，通常还需要具备良好的传输性能，因此对光束质量有特殊的要求。但是受限于热效应、非线性效应等［６］

4、因素的影响，单模双包层光纤激光器的极限输出功率估计在８～１０ｋＷ。［７］为了提升功率的同时保持良好的光束质量，一种技术途径是激光器采用多模块结构，实现多路激光的合［８９］成输出，引起了各国研究人员的高度关注。光纤激光的光束合成主要分成相干合成、非相干合成、谱合成３［１０１２］种类型。基于光束合成的高能光纤激光系统已经备受美国军方的重视。美国陆军研究实验室（ＡＲＬ）、空［１３１５］［１６１７］军研究实验室（ＡＦＲＬ）、国防部高级研究计划局（ＤＡＲＰＡ）陆续开展了高能光纤激光相干合成技术的［１８１９］［２０］研究，而该国海军研究实验室（ＮＲＬ）则青睐于非相干合成与谱合成技术。本文对两种

5、典型的高能光纤激光系统进行分析与比较，并对高能光纤激光系统的未来发展趋势及成为武器系统的可能性进行初步探讨。１相干合成型高能光纤激光系统理想的相干合成型高能光纤激光系统要求每个单元光束的波长、相位及偏振方向保持一致。以１８束单元功率为８ｋＷ的单模光纤激光器相干合成为例（激光器单元近场排布如图１所示，单元光束的口径为１０ｃｍ，激光波长为１．０７μｍ，整个激光阵列的发射口径为５０ｃｍ），假设各束激光排布紧密，两相邻光束中心距离为单元光束光斑半径的２倍。在不考虑大气传输衰减等外界因素影响的情形下，聚焦传输至５ｋｍ的远场，此时远场光斑主瓣面积约为１．５ｃｍ２，主瓣内平均功率达到了８６ｋＷ／２。由此可

6、见，相干合成型高能光纤激光系统有着极高的远场功率密ｃｍ度，在战术激光器等领域有较强的应用潜力。Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｌａｓｅｒａｒｒａｙ图１激光阵列的近场排布收稿日期：２００８０７３１；修订日期：２００８１１１７作者简介：刘泽金（１９６３—），男，山东人，教授，博士生导师，从事高能激光技术等方面的研究；ｚｅｊｉｎｌｉｕ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ。１７９６强激光与粒子束第２０卷在实际环境中，相干合成型高能激光系统不仅要求具备高的输出功率和优良的光束质量，还需要精确的光束定向与跟踪瞄准系统。与传统的单一口径高能激光系统不同，相干合成型高能激光系统输出光束是由若干彼此相干的小口

7、径光束阵列拼接而成。因此在实际应用中，除了激光光束质量、大气吸收与大气湍流、跟踪抖动等因素外，相位控制、填充因子、倾斜误差、单光束口径、阵列排布等因素也会影响高能激光系统的使用效［２１２２］能。在实际应用中，通常希望尽可能多地将能量集中在中央主瓣。为了更好地评价相干合成光束质量，我［２３］们引入美国ＤＡＲＰＡ／ｍｔｏ办公室提出的光束传输因子（ＢＰＦ）作为评价因子，若激光器阵列的几何尺寸为犇，出光波长为λ，光