光纤激光作为激光武器的能力分析
第27卷第3期
激光技术
Voi.27,No.3June ,2003
2003年6月
LASER TECHNOLOGY
文章编号:1001-3806(2003)03-0161-05
光纤激光作为激光武器的能力分析!
楼祺洪周军王之江
(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800)
摘要:简要介绍了高功率光纤激光的发展,分析了双包层光纤激光器作为激光武器的可能性,并给出了实现高能单模激光输出的主要技术方案。
关键词:双包层光纤激光;激光武器;模式控制;相干组束中图分类号:TN248;E928.9
文献标识码:A
Analysis of high-power fiber laser weapons
Lou Oihong ,Zhou Jun ,Wang Zhijiang
(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,the Chinese Academy of Sciences ,Shanghai ,201800)
Abstract :In the paper ,the deveiopment of high-power fiber iasers is briefiy introduced. Then the capabiiities of doubie-ciadding fiber iaser weapons are anaiyzed in detaii. Finaiiy the advanced fiber iaser technigue to acguire high-energy singie-mode iaser output is presented.
Key words :doubie-ciadding fiber iaser ;iaser weapon ;mode controi ;coherent beam combination
引言
由于高能激光武器具有其它武器所不可比拟的
目标主动照明,实施精密光学跟踪。众所周知,空间激光武器系统对激光器的要求是非常苛刻的,特别是在体积、功耗、冷却几个方面,而传统的高功率激很难摆脱上述几光器(如HF 激光器和氧碘激光器)个方面的限制。另外,激光武器系统对激光光斑质量、发散角等也有非常高的要求。
国际上新近发展的高功率双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面,均比同等功率水平的气体激光器和二极管泵浦全固态激光器
[1]
,在空间激光武器中有潜在的应用前有显著改善
速度和精确性两大优势,近几年来,高能激光武器技术取得了迅猛的发展。美国曾在1997年10月用激光器摧毁了一颗即将退役的气象卫星,2000年夏,
美国在白沙导弹靶场拦截卡秋莎火箭,演示证明了激光武器的近程防空能力,许多国家对此表现出极大的关注和担心。目前,美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验,印度也专门拨出巨款积极开展激光武器研究,并准备在2007年后拥有太空作战的激光武器,从而具备一定的天战能力。
目前研究的高能激光武器主要是采用DF 化学激光器,按照现有的水平,今后5年左右可望在地面和空中平台上部署使用,用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。波长3. 8输出功率200kW ~m 、!
必须400kW 的DF 化学激光器体积和重量都较大,安装在标准集装箱内,并且利用低功率固体激光对
景,随着研究的深入,可望替代现有国防应用中体积庞大的气体激光和常规的固体激光系统。美国近来也在加紧高能光纤激光的研究,希望在2007年通过相干组束的方法实现100kW 的激光输出。这里首
先简要介绍双包层光纤激光的原理、国外高功率光纤激光的发展和作者的主要研究结果,然后重点分析光纤激光器作为空间武器的可能性,并给出实现高功率单模激光输出的主要技术方案。
1
! 上海市科委光科技专项及中科院知识创新工程资
助项目。
博士作者简介:楼祺洪,男,1942年7月出生。研究员,生导师。主要从事光纤激光、短波长激光及其应用研究。
收稿日期:2002-10-29
双包层光纤激光原理及国内外发展概况
光纤激光器同气体或常规固体激光器相比,因
其具有结构简单、散热效果好、转换效率高、低阈值等优点而倍受青睐。但对于1m 左右的波长而言,!
典型的纤芯直径小于10这一芯径远小于透镜聚m ,!
162激光技术2003年6月
焦后高斯光束的光斑直径,由于泵浦光是直接耦合进直径低于10限制了泵浦光的入纤效m 的纤芯,! 率,这导致光纤激光器的输出功率较低,限制了其应用范围。
近年来,国际上发展的以双包层光纤为基础的包层泵浦技术为提高光纤激光器的输出功率提供了解决途径,改变了光纤激光器只是一种小功率光子器件的历史。利用这种技术,光纤激光器的转换效率可达50%以上,输出功率可提高几个数量级,并开始了在光通信、印刷、微加工等行业中的应
[3,4]
用。1999年,Dominic 等人报道了他们的输出功[5]率高达110W 的掺镱双包层光纤激光器。2002年
的CLEO 会议上报道了Yb /Nd 共掺的双包层光纤激
[6]光连续输出达150W 。日本的一个研究小组借助于双包层光纤激光器包层泵浦的思想,提出并实现
了一种称为可以为“任意形状”的光纤激光器,他们
[7]认为这种器件可实现近千瓦的连续激光输出,这
些进展对光纤激光在激光加工和军事领域的应用起且有着接近衍射极限的光束质量和小巧、全固化、低阈值等显著优点。因而,双包层掺镱光纤激光器成为近几年人们研究的热点,引起广泛的关注,并已经在光通信、材料加工与处理、医学、印刷等领域展现出诱人的应用前景,呈现出逐步替代现有传统高功率激光器的趋势。1! 1
基本原理
为了突破常规光纤激光器的对转化效率和输出功率的限制,Snitzer 等人巧妙地提出设计了双包层
光纤[2],其结构如图1所示。双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤,它比常规光纤增加了一个内包层(最早的内包层形状为圆形),内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯,纤芯中掺杂了稀土元素Yb ,Nd ,Er ,Tm 等),由于内包层包绕在单模纤芯的外围,泵浦光在内包层中反射并多次穿越纤芯被掺杂离子所吸收,从而将泵浦光高效地转换为单模激光。双包层光纤结构对光纤激光器来说是一个具有重大意义的技术突破。一般来说,内包层的尺寸都应大于100! m ,从而经耦合透镜聚焦后的焦斑为100! m 左右的泵浦光可以有效地耦合进单模光纤中,并且内包层的数值孔径较大一般大于0. 36,收集泵浦光的能力强,从而可以保证高能泵浦光高效
地耦合进入内包层。
图1常规光纤和双包层光纤(矩形内包层)的结构及激光产生示意图
1! 2发展概况
双包层光纤技术最早开始于20世纪80年代后
期,由美国麻省Polariod 公司的Snitzer 等人提出,此
后,基于这种技术,光纤激光器获得了迅速发展,输出功率得到逐步提高,由几百毫瓦上升到几十瓦,并
到巨大的推进作用。
现在,双包层光纤激光器国外已有产品出售,但也只有IPG Photonics ,JDS Uniphase 和SDL 以及IRE PolLs 等几家公司能提供这种产品。它们所用的都是石英双包层掺杂光纤,由于石英双包层光纤的原料制备复杂、要求纯度高、拉丝困难,并且不能作到高掺杂,从而使得光纤激光器所需的光纤较长,由于非线性效应的限制,这种低掺杂光纤不利于高功率激光的输出。
近年来,国内上海光机所、南开大学等单位也对
双包层光纤激光器进行了理论和实验研究[8,9]。上
海光机所在双包层光纤激光器理论和实验研究方面取得了较大进展,在实验上研制成功连续输出功率为5W 量级、波长为1110nm 的双包层光纤激光器,斜率效率近50%。并且由于采用半导体制冷器对半导体激光器进行温度制冷控制,整个系统小巧、稳定、高效。在理论上,作者提出一种具有新型内包层形状的双包层光纤,这种光纤相对于其它常规内包层形状的光纤,可以大大提高对泵浦光的吸收效率,
同等条件下,可使得所用光纤较短[10]。
2光纤激光作为空间激光武器的能力分析
激光技术的发展使许多具有重大应用背景项目
成为可能,而这些应用的牵引则要求发展性能更优越的新型激光器。同其它高功率激光系统相比,上述的高功率双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面,均有明显的优势,在国防军事领域有着广阔的应用前景。因此,开展高功率光纤激光系统的研究对推动我国激光在军用领域的发展
具有重要战略意义。
双包层光纤激光器由于光纤本身作为激光介
质,谐振腔由光纤的2个端面粘腔片构成[5],或者直接在光纤上刻写光纤布喇格光栅作为谐振腔[11],腔
体结构简单,并且光纤柔软几乎可以弯曲盘绕成任意形状(在最小曲率半径的限制下)。泵浦源也是采
(
第27卷第3期楼祺洪光纤激光作为激光武器的能力分析163
用体积小巧模块化的高功率半导体激光器,因此,这种激光器结构简单、体积小巧、重量轻,并且是光纤输出,使用灵活方便。
选择发射波长和光纤吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源。对于掺Yb 的双包层光纤,一般选择915nm 或975nm 的高功率半导体激光器。由于双包层光纤内包层的横截面尺寸和数值孔径都足够大,半导体激光通过光束整形后,可以高效地耦合入内包层,通过选择合适的内包层参数和形状,实现高年5月31日签定合作意向书。研究“空对空激光武器装备于联合攻击战斗机”的可能性。方案1为采用氧碘激光器(COIL ),已安装在波音747上进行验
证实验;方案2为通过捆扎式光纤激光技术研究几百磅重的高能激光武器。实际上,多束光纤激光并联组合的捆扎式技术在使激光的能量提高的同时,光束质量也有所变差,但相对于气体或其它固体激光系统,仍具有非常显著的优点。通过采用光纤激光组合相干的方法,可望获得高功率的相干激光输效、高功率激光输出,斜率效率一般在50%以上。
固体激光器实现高功率激光输出的主要困难在于激光介质的热效应引起光束质量及效率下降,为了有效散热需要专门的技术和系统对固体激光介质进行冷却,这对于空间激光武器显然是非常不利的。而双包层光纤激光系统是采用细长的掺杂光纤本身作为增益介质,表面积/体积比很大(至少是固体激光介质的1000倍以上),因此散热性能非常好。对于连续输出110W 的光纤激光来说,若将光纤盘绕
成环状,只需一小风扇风冷即可[5]
。
在光束质量方面,双包层光纤激光器的输出光束质量由于光纤纤芯的波导结构(纤芯直径! 和数值孔径"#)决定,不会因热变形而变化,因此易于达到单横模激光输出。例如对于连续输出功率为100W 的掺Yb 双包层光纤激光器,
输出激光的光束质量因子$2接近于1。而对于半导体激光泵浦的Ndf YAG 固体激光器,$2
接近于1的百瓦级器件在技术上目前仍不成熟。
对于双包层光纤激光泵浦光功率在内包层波导内传输,不扩散,有利于保持高功率密度光泵。这对于上转换激光是十分有利的,亦是光纤激光实现波长上转换的重要原因。通过在纤芯中掺杂不同的稀土离子,可以实现蓝光(掺Tm )、绿光(掺Er )和红光Pr )的激光输出,而无需象固体激光那样通过倍频来获得可见激光输出。
正是由于双包层光纤激光器在体积、效率、重量等方面的显著优势,已被广泛应用于汽车,医疗,半导体,通信等工业上,全球销售额已高达几十亿美元。在军事、国防和能源领域等领域,美国、德国等国家也在进行积极研究,他们希望在2007年光纤激光能获得百千瓦量级的相干输出,以期替代现有的体积庞大的气体或固体激光系统。表1列出了可用于高能激光武器的在研新一代激光器。美国《每日宇航》2002年6月6日报道,美空军研究实验室AFRL )定向能源部与洛克希德・马丁公司在2002
出。美国近来鼓励支持开展光纤激光的相干叠加研究,并希望在2003年获得1kW ,2007年获得100kW 的相干激光输出。这种高能光纤激光系统的实现,可取代空军目前在飞机上现役的化学激光器,或作为地基防空武器,消灭地平线以上范围空中一切目标,用这种战术高能激光器拦截飞机、击落短程火箭、弹道导弹、巡航导弹及打击天基武器。
表1
新一代高功率激光器激光器类型
研制时间输出功率备注
2002
10kW
已在白沙导弹靶场作激光与靶相互作用实验DPL
2003100kW 参见Defense Rev ,2000(8):34.
20031kW 效率高、尺寸小、重量轻、FOL
成本低2007
100kW 组合相干输出
电-化学200330kW E-COIL
2007
100kW
双包层光纤激光器除了直接作为激光武器外,因其小巧高效,还可以作为军用多功能激光器,如用于激光测距、激光目标指示器、激光制导、光电对抗、激光有源干扰、激光雷达等,此外,光纤激光系统还是激光武器理想的的信标光源。
3高能光纤激光新技术
从应用目标出发时,连续工作的光纤激光能提
供的靶面功率密度较低,脉冲工作的光纤激光或许更为有用。双包层激光虽然具有散热好、体积小、效率高、光束质量好等优点,但目前常规脉冲双包层光纤的激光单脉冲输出能量仍远低于高能的气体或固
体激光器,不到1mJ [12]。其存在于光纤本身的原因
主要有以下3点:(1)双包层光纤激光器纤芯增益介质中的储存的能量受限于纤芯截面积;(2)由于纤芯横截面积较小,高功率运转时会出现诸如受激喇曼散射(SRS )和受激布里渊散射(SBS )等非线性光学
((
164激光技术2003年6月
效应;(3)高脉冲能量密度对光纤端面的破坏作用也使得输出功率难以提高。
尽管目前具有9m 纤芯的双包层光纤的连续! 输出已经可达110W ,但普通脉冲双包层光纤放大器或激光器无法实现高光束质量、高脉冲能量的脉冲激光(对1保证单模输出,掺Yb 纤m 的激光波长,! 芯9单脉冲能量小于1mJ )。因此,对于双包层m ,! 光纤激光,必须在保持其体积小巧、效率高、冷却散热方便、光束质量好等优点的同时,实现更高能量的有两种方案可供选择。
模式控制方式之一为在多模纤芯双包层光纤激光的输出端一定距离处放置一合适的小腔片作输出镜(见图2),使得受激光中与纤芯轴线成小角度的光线(即低数值孔径的光线)可以形成激光O 值大,振荡;而大角度光线(高数值孔径的光线)O 值小,不能形成激光振荡。实现对光纤激光输出模式的选择,达到高功率高光束质量的目的。
激光输出,才可以应用于空间激光武器中,逐步替代现有的体积庞大的激光系统。高能相干光纤激光的实现,有以下几种新技术方案可供选择。3! 1
研制开发具有低数值孔径纤芯的双包层光纤双包层光纤激光器能否实现单模激光输出,取决于纤芯的直径d 和数值孔径NA 0,要求归一化频率小于2.4,即:V =
d ・NA 0
1)
式中,NA 0==I 1和I 2分别为内包层和纤芯的折射率。
大家知道,当纤芯掺杂浓度和内包层尺寸一定时,增大纤芯d 有利于对泵浦光的吸收,所以,为保证单模激光输出,折射率的选择应使得NA 0较小为宜。但实际上,当2. 4
m 的激光,常规双包层光纤纤芯的数值孔径单模NA 0约0. 1~0.15,光纤芯径不到10! m ,其模体积有限,单脉冲能量不能太大(能得到高平均功率的器件);若降低纤芯的数值孔径NA 0,就可以保证在较粗纤芯的情况下,依然为单模模式。这样一方面纤芯横截面积增大可以使得非线性效应阈值升高,另一方面纤芯的数值孔径变小也降低了自发辐射,最终使得掺杂纤芯的储能增加,破坏阈值升高,实现M 2
近于1、单脉冲能量大于1mJ 的脉冲激光输出。今年的CLEO 会议上已有采用数值孔径为0. 06,纤芯直径为30! m 的双包层光纤作放大器的报道,获得单脉冲能量2. 5mJ
(20khz ),1mJ (50khz ),平均功率50W 的脉冲激光输出[13]
。但由于受光纤材料成分选择的限制,纤芯数值孔径也不能太小。3! 2
采用光纤激光模式控制技术
较粗的多模纤芯(如90! m )的双包层光纤,可以高功率激光输出,但模式非常差,不是单模输出。通过光纤激光模式选择技术,可以利用多模纤芯实现单模高功率激光输出。利于光纤本身实现模式控制
图2输出端置腔片实现模式控制
模式控制方式之二是将具有多模纤芯的双包层光纤弯曲,缠绕在一定半径的圆柱体上,圆柱的半径正好使得掺杂纤芯的基模LP 01损耗最小,而LP 11和
其它高阶模的损耗较大,由于模式竞争,最后只输出基模LP 01,光纤弯曲的目的实际上起到了分布式空
间滤波器的作用
[14]
。采用上述两种模式控制技术,纤芯为较粗多模纤芯,不再受单模条件(V
m 的激光波长,纤芯直径大于50! m ~90! m 的双包层光纤依然可以实现单模输出。对应较粗的纤芯也可以适当增大内包层的尺寸,提高泵浦功率,并且降低了对泵浦半导体激光聚焦光斑的要求。3! 3
多束光纤激光的并联组合技术
单根光纤激光通过上述技术可以提高输出功率,但输出能量毕竟有限。将多个光纤激光器并联组合,可以提高总的输出功率。定义光束参数积BPP :beam parameter product )
为:P BPP =w 0" /2" M
2
! /"
(2)式中,w 0为光腰半径;" 为远场发散角。若将N 个输出激光参数完全相同的光纤激光器按环状对称排
列,如图3,
通过合适的光学耦合系统,并联组束到图3多束光纤激光并联组束示意图
(
第27卷第3期楼祺洪光纤激光作为激光武器的能力分析165
一根直径为D (! 1mm )的粗光纤中,光束参数积P BPP 可写为:
(P BPP )P BPP 0N I
(3)
等均相同,且均为单模,纤芯之间的距离较近。由于纤芯间的距离很近,由于振荡激光瞬逝波的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位激光输出。采用这种技术,就可以在保持高光束质量的同时,达到高能的激光输出。3! 5
光纤激光相干组束技术
则组束后激光的光束质量可以由此得出。对于N
个M 2为1. 1,纤芯直径为10功率100W 的光纤m ,! 激光,通过并联组束后输出激光的参数变化列于表2。
表2
光纤激光并联组束后M 2的变化光纤激光传输光纤组束后组束后个数N 直径D 输出功率M 2增大为2550! m 2.5kW 5.6倍100200! m 10kW 11.5倍250
400!
m 25kW
18.2倍
利用这种光纤激光的并联组束在技术上,通过合理设计耦合光学系统,IPG 已经实现700W 的光纤激光输出,其光束参数积P BPP
121.4mm X mrad 。因此,
即使并联组束光纤激光的输出功率低于DPSSL 或CO 2激光器,在激光与材料
的相互作用中效率也是它们高。
虽然这种技术比常规高功率激光技术有优势,但对于要求更高激光功率的场合,光束质量变差,其应用也会受到限制。光束质量变差的原因在于这N 个光纤激光是非相干的,因此,有必要研究光纤激光的组合相干叠加技术,获得千瓦级以上的相干激光输出,这对于高能光纤激光武器的发展是非常有益的,
美国近来也在鼓励和资助光纤激光的相干组束技术研究。
高能光纤激光的相干组束可以采取以下两种技术。3! 4
研制开发多芯双包层光纤
图4多芯双包层光纤
多芯掺杂双包层光纤如图4所示,在较大的内包层中有多个掺杂纤芯,每个纤芯的直径、掺杂浓度
将很多个相同的光纤互相靠近,排成致密的列阵,在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用,获得高能相干激光输出。
4结束语
综上所述,高功率双包层光纤激光的研究在国
际上目前还处于起步阶段,但由于其具有效率高、尺寸小、重量轻、成本低等优点,非常适合用于激光武器,在军事国防领域有着非常重要的应用前景。随着新的双包层光纤激光技术(如多芯光纤技术、相干组束技术等)的发展,实现千瓦到百千瓦量级高光束质量的高能光纤激光,替代高功率气体或固体激光系统将是空间激光武器发展中最有潜力的方向之一。
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光纤激光作为激光武器的能力分析
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引用本文格式:楼祺洪. 周军. 王之江 光纤激光作为激光武器的能力分析[期刊论文]-激光技术 2003(3)