超高强度激光的应用现状与展望

超高强度激光的应用现状与展望一、引言自1960年7月梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，经过五十年的发展，人们在激光的研究上突破了许多技术难题并取得了相当的成就。激光被发明以来，以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性引起了科学家们特别是军事家们的广泛关注，经过科学家们的不懈努力，今天的激光仪器无论是从工作原理、实验手段，还是制造工艺都已逐步成熟。特别是超高强度激光激光日益受到各大军事强国的重视，并有望成为未来军事技术发展中最活跃的一个领域之一。迄今为止，超高强度激光在军事领域已经广泛应用于定向能武器、航空航天等诸多国防领域，大大提高了军队在高技术战争条件下的打击与防御能力。同时，超高强度激光的军转民技术也得到了很大的发展。二、超高强度激光的应用现状激光的应用主要是利用激光方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性的特点而被科学家们看好。在军事领域，激光可以用于实施常规打击，航空航天中的点火推进控制燃烧，侦察与反侦察，精确制导，保密通信和飞行器姿态定位等，而这些激光应用的军转民成果在民用领域也必将有着广泛的应用前景。下面我们以激光在军事领域的应用为主并有针对地介绍一些激光军事应用技术的军转民成果和研究方向。1、激光武器利用沿一定方向发射的激光束直接攻击目标的武器称为激光武器，它是定向能武器的一种。经过20年代的研究与发展，制造激光武器所需的各项技术已有长足的进步，成功地进行了一系列的激光打靶试验，证明激光武器是可实现的，并且具有如下特点。快速：激光束以光速射向目标，射击时一般不需要提前量。灵活：发射激光几乎没有后坐力，因而易于迅速变换射方向，并且射速高，能在短时间内射杀多个目标。精确：可将能量聚焦于很细的激光束，精确地击中目标甚至目标的脆弱部位。不受电磁干扰。战术激光武器包括“硬杀伤”激光武器和“软杀伤”激光武器两种。前者是利用强激光束破坏目标；后者所需能量较低，主要用于烧伤人眼或破坏武器的电子设备和光电传感器，所以又称为激光致盲武器或激光反传感器武器。激光反传感武器技术较为成熟，是当前的发展重点。现代飞机、导弹等武器装备中有多种电子和光电探测设备，如制导系统、导航仪、夜视仪、红外探测器等，这些设备很精密，也很脆弱，只需较小的能量就可进行干扰或破坏，使整个武器装备失控或失效。人眼也是如此，激光会使它暂时甚至永久失明。目前，美、俄、英、法、德、日等国都在积极发展激光致盲武器已于1991年7月进入全面工程研制，1995年通过美国陆军的定型鉴定。试验表明，它可破坏8公里内的光电传感器。海湾战争后期美军曾把两台样机运到海湾战场准备试用，因战争很快结束而未进行。激光武器也有弱点，主要是：随着射程增加，落在目标上的光斑增大，能量密度降低，破坏力减弱，有效作用距离因此受到限制；在地面或飞机上使用，大气对激光有较强的衰减作用，不良天气、战场烟尘、人造烟幕等对激光的衰减作用更大，大气的折射和扰动也会给瞄准目标带来困难；激光器的能量转换效率较低，需要有充足的能源供应，因此在目前技术条件下激光武器的体积和重量较大，限制了它的使用。2、航空航天激光在航空航天领域有着广泛的应用，在此，主要介绍的是现今处于研究前沿的激光点火、推进和控制燃烧的技术。（1）激光点火：激光点火技术作为一种新型的点火技术已越来越受到各个国家的重视。当激光强度足够高、光斑直径足够小、辐射热流密度足够高时，热吸收速率就会远远大于热扩散速率而使能量迅速积累，从而使激光点火成为可能。这种技术使燃料在低温条件下实现爆震燃烧成为可能，大大提高了普通发动机达到超音速飞行推力。一般，点火过程受AP的表面积、燃烧推进剂、初温和热流密度等因素影响较大，而激光点火能够独立于初温以及气体组分等环境参数选择热流，具有很高的可比性。俄专家为了证明该技术的有效性，使用燃烧性能差、在1000摄氏度时才能燃烧的甲烷进行了实验，发现激光可使甲烷在300-600摄氏度的低温条件下燃烧。（2）激光推进：激光推进技术是将激光的能量转化为飞行器初能而飞行器自身不用携带燃料的一种新型的推进技术。激光推进方法于1971年首次提出，现今已经成为国际上日益引起关注的先进推进技术之一。主要分为两种方式：一是利用激光和工质相互作用产生推力。它包括空气吸气模式和烧蚀模式。二是利用激光显著的光压效应产生推力，即借助太阳光压来推动飞船，实现无燃料航行。（3）激光控制燃烧：激光控制燃烧技术是一种随着航天航空技术要求的提高而产生新型燃烧控制技术，指的是采用激光维持燃烧设计，可任意节流和熄灭-重起燃烧的推进控制方法。在推力器的设计上，“非自主燃烧推进剂”的燃烧由激光照射控制，激光照射时燃烧进行，反之，燃烧就会停止。用这种方法，可制成高效率的非自主燃烧推进的激光控制的微型推力器。实验表明，在1kpa-100kpa的背压下，固体推进机的燃烧可由5w-30w的激光照射控制，燃烧能任意中止和重启，推力可任意调节，因此大大提高推进系统的性能，有极大的发展潜力。三、超高强度激光的未来展望1、激光核聚变与超高强度激光20世纪60年代初,我国激光核聚变研究刚刚起步的时候,钱学森院士就形象地指出:你们的事业是在地球上人造一个小太阳!！太阳的巨大能量来源于聚变反应，即两个氘核在高温高压下聚合成一个氦核并释放出携带动能的中子。人造小太阳，就是要在地球上实现类似的聚变反应。氢弹的爆炸是人为聚变成功的例证,但它是破坏性的。如果能在可控条件下有序地释放聚变能,则可以像太阳那样提供几乎取之不尽的能源。这正是激光核聚变研究的内容和目标。经过近半个世纪的努力探索,伴随着高功率激光技术的长足发展，激光聚变研究取得重大进展，聚变点火的曙光已经显现。聚变能源的前景虽还遥远但是可望。图1惯性约束聚变基本概念示意图对于光驱动器能用于实现聚变点火的历史目标，我们理解至少有两个方向:一是向纵深发展,这就是高能量密度科学(HEDS)；另一个就是向应用发展,这就是聚变能源开发。它们对第三代驱动器的要求,可以概括为四高一复合,即高效率、高光束质量、高峰值功率、高可靠性、复合工作体制。(1)高效率:首先要求装置总体能量转换效率由目前的不到1%逐步提升到10%;其次,要求进一步提升装置总体的运行发射效率。(2)高光束质量:突破传统的光束质量概念,首先应根据不同应用领域对强激光束控制的基本要求,探索与发展若干创新性技术,分别在时域、空域或频域实现对高功率激光脉冲的振幅(强度)、位相和偏振的主动控制,即发展强激光脉冲全域控制理论和技术;其次,根据高能量密度物理实验的相关要求,研究与发展干净光束或干净脉冲的基本概念与技术。(3)高可靠性:加强系统关键技术与工程化研究,提升装置长寿命、皮实性、模块化、标准化,使未来装置或系统由专家系统向傻瓜系统发展。(4)复合工作体制:即由现有装置的单一工作体制,发展为多运行体制、多脉宽体制、多波长体制等系统.多运行体制是由单脉冲运行体制向单脉冲、脉冲串、低重复频率等运行体制发展；多脉宽体制是由单一脉宽输出体制向纳秒、皮秒、飞秒脉冲同时零抖动输出体制发展(即FPN兼容体制)；多波长体制是由单一波长输出体制向多波长脉冲同时输出体制发展.为发展第三代激光驱动器,需要在以下几个方面开展创新性的研究工作：(1)持续开展高功率激光传输放大的基础理论研究,将传统的以窄带脉冲产生、传输、放大、倍频和控制为基础的理论体系,逐步研究并构建成为以宽带激光脉冲产生、传输、放大倍频和控制为基础的理论体系,为研究与完善高功率激光驱动器新的总体技术路线奠定坚实的理论基础。(2)研究、逐步完善具有总体创新性意义的基于宽带脉冲传输放大理论的Hi-FPN总体技术路线,以便适应未来HEDS研究多样性、灵活性和不确定性对未来高功率激光驱动器的基本要求。(3)研究与发展新的激光与光学材料,包括新型激光介质材料(激活粒子、激光介质)、新型光学功能材料(倍频、光束控制)和新型高抗损伤特性的紫外光学材料。(4)研究与发展更高能量转换效率的泵浦源(如高功率激光二极管)与相关配套技术,包括高效冷却技术、高效耦合单元等。(5)研究与发展基于新原理、新机制为基础的新型激光元器件,如新型位相元件、近场滤波元件等。(6)研究与发展新型激光单元技术,如高效率、高可靠性激光放大器,重频光开关,重频光束补偿技术等。图2美国国家点火装置及点火实验计划2、高功率激光驱动器终端光学组件高功率激光驱动器是开展高能量密度物理和激光惯性约束聚变研究的有力工具，世界各大国纷纷建造各自的兆焦耳高功率激光驱动器，如美国2009年建成的国家点火装置，法国正在建设的兆焦耳激光装置和我国的神光系列装置。图3高功率激光驱动器的基本组成兆焦耳高功率激光驱动器通常由上百路激光构成，利用钕玻璃作为增益介质，采用多程放大技术以获得兆焦耳级的能量输出。如美国的NIF装置由192路激光组成可产生1.8mj（对于3.5ns约500TW的功率）351nm的激光能量输出。其单束激光始于主振荡器和激光二极管抽运的光纤放大器，产生纳焦耳级脉冲；经过脉冲整形后，进入预放大器将脉冲能量放大至焦耳量级；然后，进入由功率放大器和多程主放大器组成的主激光系统，将单束激光能量进一步提升至数十千焦耳量级；最后进入终端光学组件将激光波长从1053nm转换至351nm，并聚焦至真空靶室靶点，获得1014w/cm2以上的聚焦功率密度。终端光学组件是高功率激光驱动器的核心单元之一，它位于整个激光链路的末端，实现激光频率转换，完成激光聚集和精确定位，提供各种极端状态的实验条件。作为激光驱动器的输出界面，终端光学组件体现了整个驱动器的综合性能，并直接决定了物理实验的效果，其功能和性能要求是激光驱动器中最为复杂的单元之一。另一方面，终端光学组件又是整个激光链路中承受三倍频激光通量最高的部位，也是最易发生激光损伤的区域，一直以来，终端光学组件都是激光驱动器中的薄弱环节和瓶颈单元。因此，终端光学组件的设计、研制和运行维护是高功率激光驱动器的主要科学技术和工程问题之一。四、结语通过对高功率，超高强度激光的应用以及发展趋势的讨论分析，我们可以看到超高强度激光无论是在科研领域还是国防领域都有发挥着非常重要的作用。随着人类对激光器件的开发和设计的不断深入，相信在不远的未来，激光器的功率以及强度范围将会得到极大的提高。