定向能武器研究報告（二）激光器的六大種類及工作原理

定向能武器

激光器的種類及工作原理

激光器的發明是20世紀科學技術的一項重大成就。它的出現標誌著人們具有了駕馭尺度極小、數量極大、運動混亂的分子和原子發光過程的能力，激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。

1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念為激光奠定了理論基礎。這一理論指出，處於高能態的物質粒子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態，併產生第二個光子，兩個光子同時發射出來且發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。

此後隨著量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產生進一步奠定了理論基礎。

1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中且纖細的紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。從此標誌著激光器的誕生，在隨後的幾十年中，各類激光器相繼問世，目前按激光生成方法可以分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、自由電子激光器、光纖激光器和液體激光器等

（一）氣體激光器

氣體激光器是利用氣體或蒸氣作為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發和能量轉移激發等，氣體粒子有選擇性地被激發到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數反轉，產生受激發射躍遷。

化學激光器是一類特殊的氣體激光器，其特點是泵浦源為化學反應所釋放的能量而非電能。這類激光器大部分以分子躍遷方式工作，典型波長範圍為近紅外到中紅外譜區。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者可以在2.6～3.3微米之間輸出15條以上的譜線；後者則約有25條譜線處於3.5～4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現數兆瓦的輸出。其它化學分子激光器包括波長為4.0～4.7微米的溴化氫（HBr）激光器，波長4.9～5.8微米的一氧化碳（CO）激光器等。迄今唯一已知的利用電子躍遷的化學激光器是氧碘激光器，它具有高達40%的能量轉換效率，而其1.3微米的輸出波長則很容易在大氣中或光纖中傳輸。氧碘激光器在體積、功率、重量和可靠性上形成了一個平衡。但是化學激光器共有的缺點就是需要耗用大量的化學燃料，這使其體積龐大，且激光器排放的尾氣對環境會造成污染甚至傷及自身。

（二）固體激光器

固體激光器的工作物質為固體激光材料，一般採用光學透明的晶體或者玻璃作為基質材料，摻入激活離子或者其他激活物質等構成。其中，對於玻璃激光工作物質，容易製成均勻的大尺寸材料，用於高能量或高峰值功率激光器。但熒光譜線較寬，熱效能較差，不適合高平均功率下工作。而晶體激光物質具有良好的熱性能和機械性能，且有窄的熒光譜線，但缺點是不易生長出大尺寸材料的晶體。

美國諾斯羅普?格魯曼公司在2009年1月實現了固體激光器105千瓦的輸出，該激光器由7個15千瓦的FireStrike激光模塊組成。100千瓦功率一向被視為武器級高能激光的門檻，這預示著固體激光器距離實際的激光武器又近了一步。

圖1 諾斯羅普?格魯曼公司研製的高能固體激光器

根據諾斯羅普?格魯曼公司的資料說明，FireStrike激光模塊性能相當不錯，輸出功率15千瓦光束質量達1.5倍衍射極限，從開機到全功率輸出只需要0.5秒，其激光輸出時間只受到輸入能量和冷卻系統的限制。在體積和重量上，寬深高分別為13/30/9英寸(33/76.2/22.9厘米)，單個模塊重量400磅（181千克）。這樣的體積、重量和性能已經具備實戰能力。

固體激光器的迅猛發展，為戰術激光武器的發展提供了新的方向。相比化學激光器、自由電子激光器，固體激光器價格便宜且體積和重量上得到了更好的控制，便於小型化、模塊化和通用化，從而提高了激光武器的機動性和可靠性。但由於固體激光武器光源的發射光譜中只有一部分為工作物質所吸收，再加上其它的損耗，因此目前固體激光器電光轉換效率一般不超過20%，當需要獲得高能激光輸出時，其供電和散熱都難以解決。

（三）半導體激光器

半導體激光器的工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時，便產生受激發射作用。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等材料製成的半導體面結型二極體，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區域產生受激發射。光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物質，以其他激光器發出的激光作光泵激勵.高能電子束激勵式半導體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物質，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，性能較好，應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極體激光器。

半導體二極體激光器是應用最為廣泛的一類激光器。它體積小、壽命長，在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的市場。

（四）自由電子激光器

自由電子激光器( FEL)利用自由電子的受激輻射，把電子束的能量轉換為激光。具體實現是電子從原子脫離後，通過線性加速器加速到高能態，這些高能態電子被導入到擺動器，迫使它們以光子的形式釋放出能量，當光子進入諧振腔後，光子在諧振腔兩端的反射鏡之間來回運動，並激發出更多相同頻率的光子，最後形成一簇連續的光束髮射出去。

圖2 自由電子激光器工作原理的示意圖

自由電子激光器在短波長、大功率、高效率和波長可調節這四個主攻方向上，為激光學科的研究開闢了一條新途徑，它可望用於對凝聚態物理學、材料特徵、激光武器、激光反導彈、雷達、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線性以及瞬態現象的研究，在通訊、激光推進器、光譜學、激光分子化學、光化學、同位素分離、遙感等領域，其應用的前景也很可觀。

上個世紀80年代星球大戰計劃就是使用大功率陸基自由電子激光器進行防禦，但由於成本技術和戰略轉向等原因取消，但仍為美國自由電子激光器的發展打下了基礎。美國海軍研究實驗室(ONR)從1996年開始自由電子激光器的研製，2004年激光器功率已經到了10KW，2007年達到25KW。2009年根據報道，美國海軍研究實驗室分別和波音與雷錫恩公司簽訂合同，提供100千瓦級自由電子激光器的初步設計。

另據美國《導彈防禦內情》報道，美海軍研究實驗室(ONR)定向能項目負責人Quentin Saulter稱，自由電子激光器(FEL)將可能在2020年前部署成為艦船防禦敵方導彈的武器，並最終將安裝在例如DDG-1000等下一代驅逐艦以及CVN—21等級的航空母艦上。

相比其它類型的激光器，自由電子激光器最大的優勢是其波長可調諧的特性。自由電子激光器提供的強光束，能夠被調諧到一個特定的波長，並且比從常規激光器得到的光束功率更高，因而它的光束不受大氣干擾，使它成為艦船防禦的理想激光器類型。研究表明：在近海作戰中，熱暈限制了高能激光束的大氣傳輸，因此，也就限制了激光武器的效能。傳統的化學激光器的波長對於沿海的環境並不是最佳的，至少60%發射功率在攻擊過程中被大氣散射。儘管自由電子激光器同時還具有高效率，高功率，激光質量好等優點。但是由於其體積巨大，高功率反射鏡製作困難，且需要大功率供電系統，目前仍得不到廣泛應用。

（五）光纖激光器

光纖激光器採用的增益介質為光纖的形式，和傳統的固體、氣體激光器一樣，光纖激光器也是由泵浦源、增益介質、諧振腔三個基本要素組成。泵浦源一般採用高功率半導體激光器，增益介質為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學反饋元件構成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構成各種環形諧振腔。泵浦光經適當的光學系統耦合進入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光後形成粒子數反轉或非線性增益併產生自發發射。所產生的自發發射光經受激放大和諧振腔的選模作用後，最終形成穩定激光輸出。

光纖激光器無論在光束質量、工作效率、結構體積和系統維護等方面均優於同等功率水平的其他激光器。其優勢可以概括為以下三方面：

（1）轉換效率高：光纖激光器獨特的波導式結構設計，減少了不必要的能量損失，因而可以獲得很高的電光轉換效率。目前光纖激光器的效率一般為50%。

（2）體積緊湊散熱性好：光纖具有良好的柔性，使得光纖激光器結構緊湊、易於集成。光纖材料表面積與活性介質體積比高，具有良好的散熱特性，不需要龐大的製冷系統，降低了激光器的成本，並且給光纖激光器的應用帶來方便。

（3）環境適應能力好：光纖激光器對灰塵、震蕩、衝擊、濕度等具有很高的容忍度，耐高溫耐腐蝕，不受外界電磁干擾，可以在相對惡劣的環境中工作，特別適合應用于軍事領域。

目前光纖激光器在激光測距、激光目標指示器、激光制導、光電對抗、激光有源干擾，激光雷達等方面都有廣泛應用。

（六）液體激光器

液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發它們發射出激光，一般採用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發出很短的光脈衝。液體激光器發出的激光對於光譜分析、激光化學和其他科學研究，具有重要的意義。

文章來源：《武器與裝備研究選編》國際防務科技叢書（2015年第5期，總第15期）中國電子科學研究院管理研究中心編譯/ 圖片來自於原報告或互聯網。

《武器與裝備研究選編》

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