《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》第10期發(fā)表了任國(guó)光等的《美國(guó)戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)載激光武器》文章，介紹了美國(guó)機(jī)載激光計(jì)劃失敗的原因和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，評(píng)述和分析了無(wú)人機(jī)載激光武器反導(dǎo)的概念、優(yōu)勢(shì)、研究計(jì)劃和現(xiàn)狀，以及存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)，討論和分析了用于助推段攔截的二極管抽運(yùn)堿金屬激光器和相干合成光纖激光器的原理、特點(diǎn)、最新進(jìn)展和技術(shù)挑戰(zhàn)。
彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈不僅能攜帶高爆彈頭，還能攜帶核彈頭和生化彈頭，是未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中的主要威脅。隨著導(dǎo)彈射程和命中精度的提高，以及導(dǎo)彈技術(shù)和核技術(shù)的擴(kuò)散，這種威脅日趨嚴(yán)重。
彈道導(dǎo)彈防御中最有效的防御是在助推段，在來(lái)襲彈道導(dǎo)彈能采取對(duì)抗措施之前將其擊毀。雖然處于助推段的彈道導(dǎo)彈是最脆弱的，但攔截的難度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中段和末段，關(guān)鍵的問(wèn)題在于攔截的時(shí)間窗口僅有1-5分鐘，因此以光速作戰(zhàn)的激光武器就成為攔截助推段彈道導(dǎo)彈的最佳選擇。
在美國(guó)國(guó)防部(DOD)終止了裝備有化學(xué)激光器的機(jī)載激光（ABL）計(jì)劃近三年后，美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)在吸取ABL計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和利用美國(guó)一流國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最近在激光技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，計(jì)劃為無(wú)人機(jī)載助推段攔截研發(fā)兆瓦級(jí)的二極管抽運(yùn)堿金屬激光器（DPAL）和光纖合成激光器（FCL），它們能定標(biāo)到非常高的平均功率（兆瓦），而且光束質(zhì)量好，同時(shí)能獲得很高的系統(tǒng)電光效率（>40%）和非常低的系統(tǒng)重量和體積（最終目標(biāo)功率密度1-2 kg•kW-1）。
采用化學(xué)激光器的機(jī)載激光（ABL）
美國(guó)DOD長(zhǎng)期以來(lái)一直在為彈道導(dǎo)彈防御尋求發(fā)展高能激光武器，ABL是迄今DOD最雄心勃勃的定向能計(jì)劃，歷時(shí)14年，耗資53億美元。2010年2月ABL用1 MW的化學(xué)氧碘激光器（COIL）成功攔截了固體和液體燃料彈道導(dǎo)彈。
機(jī)載激光攔截助推段彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)的視頻截圖
但是，ABL射程太短生存能力低是其致命缺陷。此外武器系統(tǒng)本身也存在許多缺陷，包括激光器笨重限制了它的軍事用途，技術(shù)復(fù)雜難于維護(hù)，運(yùn)行時(shí)要消耗大量高活性的危險(xiǎn)化學(xué)品，在12-14 km空中激光束穩(wěn)定性也存在問(wèn)題等。為了克服這些障礙，美國(guó)軍方希望提高單個(gè)激光器模塊的輸出功率，改進(jìn)束控系統(tǒng)，以及研發(fā)新型的COIL，但這些措施都收效甚微。由于像大幅提高激光武器的射程，大量使用危險(xiǎn)化學(xué)品這樣一些問(wèn)題無(wú)法解決，再加之ABL武器系統(tǒng)的部署成本太高，DOD在2011年終止了ABL計(jì)劃。
反導(dǎo)用無(wú)人ABL武器
無(wú)人ABL武器是ABL的一個(gè)更新計(jì)劃，它們的作戰(zhàn)概念，面臨的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)挑戰(zhàn)都是相同的，不同的是用電激光器代替了化學(xué)激光器，用無(wú)人機(jī)代替了有人駕駛的大型飛機(jī)。它采用了兩項(xiàng)現(xiàn)代軍事技術(shù)：無(wú)人系統(tǒng)和定向能，并把兩者整合到一起，發(fā)展了一種具有兩者優(yōu)勢(shì)的新型武器系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)高空無(wú)人ABL武器的關(guān)鍵是激光器，通常需要兆瓦級(jí)的功率。此外，至關(guān)重要的還有激光器的重量問(wèn)題，即對(duì)激光器的功率密度有苛刻的要求。
2015年MIT/LL的FCL系統(tǒng)己獲得近衍射極限的44 kW光束，LLNL的DPAL輸出功率己達(dá)13 kW。
2016-2017年LLNL將演示30 kW的DPAL系統(tǒng),光束質(zhì)量1.5倍衍射極限 (DL)。2019年演示120 kW的DPAL系統(tǒng)，功率密度可能達(dá)到3 kg•kW-1。
2018年LL將演示5kg•kW-1的50 kW FCL系統(tǒng)。
2019年MDA將評(píng)估國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的DPAL、FCL和工業(yè)界研發(fā)的高功率激光系統(tǒng)，以便選擇最佳的方法繼續(xù)研究和制造后繼的高功率激光器，在此基礎(chǔ)上于2022年制造一臺(tái)300 kW級(jí)的激光器。 MDA希望在2025年實(shí)現(xiàn)能摧毀助推段彈道導(dǎo)彈的無(wú)人ABL武器。
高功率二極管抽運(yùn)堿金屬激光器（DPAL）
建造兆瓦級(jí)激光器存在許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而DPAL非常有吸引力，它綜合了固體激光器和氣體激光器的優(yōu)良特性。堿金屬的量子數(shù)虧損很小，因此DPAL具有非常高的光-光轉(zhuǎn)換效率。若采用高亮度的二極管或陣列抽運(yùn)，則可以獲得高的電-光效率，并能以超過(guò)100 ℃的高溫排出廢氣。這就給出了一個(gè)輕量的功率定標(biāo)結(jié)構(gòu)，使DPAL的質(zhì)量/功率比和體積/功率比遠(yuǎn)低于其它的高功率激光系統(tǒng)。同時(shí)氣體型DPAL能定標(biāo)到單孔徑兆瓦級(jí)的功率，有可能代替目前的一些高功率激光系統(tǒng)用于科學(xué)、技術(shù)、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域,已引起了人們廣泛的關(guān)注。
LLNL幾萬(wàn)瓦DPAL的設(shè)計(jì)，采用了帶非穩(wěn)腔的橫向抽運(yùn)結(jié)構(gòu),有可能獲得高的功率輸出和光束質(zhì)量。 DPAL長(zhǎng)1 m,標(biāo)稱輸出功率20-30 kW。它是一個(gè)無(wú)烴的系統(tǒng), 充氦氣2033.125 kPa , 這既可以消除窗口污染,又可采用帶寬稍寬的二極管陣列抽運(yùn),降低了對(duì)半導(dǎo)體二極管線寬窄化的要求 。DPAL采用波導(dǎo)型增益室,增益室溫度超過(guò)100 ℃ 。在增益室的窗口上形成了“之”字形光路，避免了因抽運(yùn)不均勻而造成的光學(xué)質(zhì)量下降。
2013年LLNL通過(guò)放大增益池的尺寸，以及改進(jìn)強(qiáng)光光學(xué)元件和光學(xué)涂層，創(chuàng)立了幾項(xiàng)世界紀(jì)錄，包括獲得3.91kW的最大輸出功率和DPAL連續(xù)運(yùn)行4 min。
2014年進(jìn)一步改進(jìn)了增益室的窗口，二極管抽運(yùn)陣列和增益室波導(dǎo)，以提高激光的輸出功率，DPAL實(shí)現(xiàn)了10 kW功率首次出光。
2015年最重要的成果是演示了DPAL試驗(yàn)臺(tái)的性能，輸出功率達(dá)到13 kW，同時(shí)具有高效和極好的增益介質(zhì)熱控。DPAL累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)100 min，無(wú)任何系統(tǒng)部件性能下降 。
2016-2017年計(jì)劃將DPAL試驗(yàn)臺(tái)的功率提升至30 kW，電-光效率達(dá)到30%，光束質(zhì)量達(dá)到1.5DL。
高功率光纖合成激光器 (FCL)
最近光纖激光器取得重大進(jìn)展，使它有可能成為激光武器的主要光源之一。它的電-光效率超過(guò)40%，光束質(zhì)量接近衍射極限，散熱性能好，全光纖系統(tǒng)更加堅(jiān)固，能可靠地工作在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。
為了獲得高束質(zhì)的高功率激光束，通常采用光譜光束合成和相干光束合成。相干合成是通過(guò)相控將多個(gè)波長(zhǎng)完全相同的激光束的振幅同相位疊加，從而產(chǎn)生高功率和高束質(zhì)的單一激光束，它不僅提高了合成光束的總功率，而且也提高了光束的亮度。這直接關(guān)系到激光武器的殺傷力, 因?yàn)楸碚骷す馕淦鳉Φ奈锢砹渴峭渡涞桨猩系募す饬炼?而亮度是與光束質(zhì)量的平方成反比的。另外相干合成在原則上對(duì)功率定標(biāo)沒(méi)有固有的限制。
MIT/LL領(lǐng)導(dǎo)了激光業(yè)界光束合成技術(shù)的發(fā)展，在過(guò)去的10年間取得了多項(xiàng)成果。包括光譜光束合成和相干光束合成。MIT/LL最近又實(shí)現(xiàn)了42路和101路1 kW光纖放大器的相干合成。林肯實(shí)驗(yàn)室要為MDA研發(fā)尺寸小、重量輕和功耗低的高功率光纖激光系統(tǒng)，它的主要目標(biāo)是要大幅降低光纖放大器系統(tǒng)的功率密度，同時(shí)提高單個(gè)光纖放大器的輸出功率。林肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的是分孔徑相干合成技術(shù)，它是激光相控陣的基礎(chǔ)。
2014年MIT/LL的FCL獲得了34 kW的功率輸出，系統(tǒng)的功率密度為40kg•kW-1，它采用了42單元的光學(xué)相控陣和1 kW的光纖放大器。
2015年MIT/LL將輸出功率提高到44 kW，并將光束質(zhì)量提升到近衍射極限，同時(shí)又演示了先進(jìn)的101單元光學(xué)相控陣。它采用相位延遲法，通過(guò)調(diào)節(jié)一組相位調(diào)制器解決了光束同步的問(wèn)題，產(chǎn)生了強(qiáng)大明亮的單光束。林肯實(shí)驗(yàn)室還演示了2.5 kW的光纖放大器，大大提高了光纖放大器的輸出功率。
目前正在建造5 kg•kW-1的光纖放大器，將在2018年演示5 kg•kW-1的FCL 50 kW系統(tǒng)。
林肯實(shí)驗(yàn)室的FCL裝置
問(wèn)題及挑戰(zhàn)
現(xiàn)有高能激光系統(tǒng)受尺寸、重量和功耗的限制無(wú)法集成進(jìn)許多作戰(zhàn)平臺(tái)，目前世界各國(guó)的研發(fā)重點(diǎn)是采用SSL作光源的戰(zhàn)術(shù)激光武器。美、德、以已演示過(guò)的幾臺(tái)激光武器樣機(jī)的功率為幾萬(wàn)瓦，硬殺傷射程也就2-3 km。
要使激光武器更有效和更廣泛地用于戰(zhàn)場(chǎng)就必須增大射程。但對(duì)固體材料而言，難以滿足功率和光束質(zhì)量的要求，這是因?yàn)樵诠腆w增益介質(zhì)中產(chǎn)生的熱-光畸變會(huì)引起光束質(zhì)量下降, 從而限制了單孔徑的功率輸出。DPAL和FCL被認(rèn)為很有前途，可作為高功率艦載、車載和機(jī)載激光武器的光源，它們也是當(dāng)今世界上正在研發(fā)的唯一兩種兆瓦級(jí)激光器。但高功率DPAL仍面臨抽運(yùn)源、窗口污染和光學(xué)基片與涂層的挑戰(zhàn)。而高功率FCL則面臨相干光束合成技術(shù)、緊湊型光纖放大器、光纖陣列發(fā)射體和光學(xué)基片與涂層的挑戰(zhàn)。
總之，激光無(wú)人機(jī)的設(shè)想很好，優(yōu)點(diǎn)眾多，但也面臨許多令人生畏的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)挑戰(zhàn)。就激光無(wú)人機(jī)而言存在著4項(xiàng)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：激光功率、光束質(zhì)量、所用平臺(tái)和所需的助推段殺傷力。目前僅僅是實(shí)驗(yàn)室的研究計(jì)劃，生存能力、長(zhǎng)航時(shí)重負(fù)荷無(wú)人機(jī)的研制、兆瓦級(jí)激光器的功率定標(biāo)、光束質(zhì)量和小型化等都存在不確定性。該計(jì)劃現(xiàn)在還處在論證可行性的階段,還必須從作戰(zhàn)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面證明切實(shí)可行才有可能得到進(jìn)一步的發(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)部署。
論文信息：
任國(guó)光,伊煒偉,齊 予,黃吉金,屈長(zhǎng)虹. 美國(guó)戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)載激光武器[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2017, 54(10): 100002
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