高能光纤激光系统浅析

　　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6 kW单模光纤激光器,该公司的10~50 kW多模光纤激光器产品也已经被日本、德国和美国等有关单位订购[1]。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器的光路系统平台[2]。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2 kW多模光纤激光器,在阿富汗成功执行了扫雷任务,其在恶劣的环境下稳定的表现得到美国军方一致的赞扬[3]。波音公司用装有1 kW IPG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,以及两架静止在地面的小型无人机[4]。雷神公司的激光区域防御系统(Laser Area Defense System, LADS)由空军研究实验室(AFRL)购买的一台IPG 20 kW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爆距离超过502 m的60 mm迫击炮弹[5]。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8~10 kW[6]。

　　为了提升功率的同时保持良好的光束质量[7],一种技术途径是激光器采用多模块结构,实现多路激光的合成输出,引起了各国研究人员的高度关注[8-9]。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)[10-12]、空军研究实验室(AFRL)[13-15]、国防部高级研究计划局(DARPA)[16-17]陆续开展了高能光纤激光相干合成技术的研究,而该国海军研究实验室(NRL)则青睐于非相干合成[18-19]与谱合成技术[20]。本文对两种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8 kW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50 cm),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5 km的远场,此时远场光斑主瓣面积约为1.5 cm2,主瓣内平均功率达到了86 kW/cm2。由此可见,相干合成型高能光纤激光系统有着极高的远场功率密度,在战术激光器等领域有较强的应用潜力。