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世界上功率最大的激光器
来源: 核武器与高技术 责编: 大嘴 作者: 赵彦生 译 时间: 2004-12-03 相关图片
用激光光束在2厘米厚的钢板上照射6秒烧出1厘米深的洞。以前,只有通过大型气体或化学激光系统才能获得这么大的能量。现在利用利弗莫尔实验室开发的新技术,用一台冰箱大小的激光器系统,用价值30美分的电流就能够获得。该系统称为固体热容激光器(solid-state heat-capacity laser ,SSHCL)。是R&D杂志评选的年度最有技术创新的100项产品之一。SSHCL激光器的功率可达13000瓦,产生的高品质单束光输出脉冲能量超过600焦耳,是世界上最强大的固体激光器。
此系统的固体热容设计为正在发展的单束光输出功率达100,000瓦的激光器铺平了道路,此激光器可应用于工业材料处理和军事防御等。
新的运转模式意味着更高的能量
利弗莫尔激光和技术项目SSHCL小组负责人布伦特·丹表示,该项突破可能会导致这种激光器的一场革命,虽然表面上看固体激光系统工作过程中寻求解决高温度梯度的方案很简单。
在SSHCL之前,以高能脉冲方式工作的固体激光器的输出功率不到1000瓦。限制提高输出功率的因素是激光器工作时的发热。布伦特·丹解释说,“任何激光系统都会产生废热。对固体激光器来说,这样的热量会存留在提供激光增益的光学器件——玻璃或晶体内。如果不除去废热,将会损坏光学器件。大多数的固体激光器在运行时,需要连续的冷却,来避免这样的损坏。热量从玻璃内部传到表面,然后被冷却剂(例如水等)带走。由于冷却过程和产生激光的过程同时进行,所以造成光学器件内部和表面的巨大温差。这样的温差会产生机械应力、造成物理变形、光学畸变,并最终使光学器件损坏。
布伦特·丹和他的研究小组演示了一种不同的工作模式,在这种模式中,冷却循环装置和高能脉冲发生装置完全分离。在一次脉冲发射中,废热集聚在整个光学器件的玻璃或晶体中。当一个脉冲完成后(一般持续10-20秒),激光器关闭,光学器件经过30秒到几分钟的逐渐冷却。系统以这种脉冲式工作,将激光发射和冷却系统隔离,意味着在产生激光的过程中在光学器件中不会有任何明显的热应力差。现在,激光器能够发射的平均功率只受激光泵源功率容量的限制。SSHCL使用的是闪光灯技术,即利弗莫尔新开发的另一种技术——高平均功率二极管阵列。布伦特·丹说,这种脉冲工作方式,意味着固体激光器平均输出功率的上限不受限制,可以把输出功率提高到几十万瓦。
SSHCL的优点
这种独特的脉冲工作模式,使SSHCL成为最强大的固体激光器。和其它的脉冲式固体激光器相比,SSHCL激光器产生的一个脉冲,能量大约是它们的10倍,是最强大的非脉冲式激光器平均输出功率的2倍。
那么其它的非固体激光器是如何工作的呢?布伦特·丹解释说,历史上气体和化学激光器在高平均功率激光系统领域一直占统治地位。由于这些激光器的自然特性,在运行过程中,能够清除产生的废热和燃烧产物(通常都是有毒和有腐蚀性的)。可以获得其它激光器不可能获得的最大输出功率。布伦特·丹称, SSHCL准备向可以获得最高输出功率的这些激光器挑战。和这些大功率激光器相比,SSHCL还有另外的优点。激光束波长较短,激光发散角很小,空气中传播距离较远(光束的发散角越大,被照射目标上的能量密度越低)。例如,同样的光束,氟化氘化学激光器在目标上可获得最小光斑在理论上是SSHCL的12 倍,对二氧化碳激光器,可能达到100倍。
SSCHL激光器另外的优点在于它的运行成本低,能够装在吉普车这样大小的运载车上工作。可用常规燃料(如汽油或者柴油的)发电设备提供能量。布伦特·丹说,实际上,SSCHL也可以使用高容量充电电池提供能量。利弗莫尔实验室明年将生产并演示使用先进锂电池,输出功率为15000瓦的SSCHL。
前景展望
从军事上到工业界、研究机构和公司,这套世界上功率最强大的固体激光器系统未来都有光明的应用前景。
一种由丹提出的有趣的可能应用,是用其强大的脉冲能量清除卫星或航天飞机飞行轨道上的太空碎片。精确瞄准的激光脉冲可以消减这些运行在轨道的太空垃圾的能量,使它们在再入大气层时无害地烧掉。未来在地球上的更多应用包括金属的热处理和厚金属的切割、打孔。
由于该计划由军方的太空和导弹防御司令部支持,首先将应用于军事方面:短距离(1至10公里)拦截火箭、炮弹和对付其他战术威胁。因为丹认为战场上对这些武器目前还没有有效的防御。雷声电子系统公司负责定向能系统部副主任迈克尔.波普称:“该激光器熔化金属和损伤其他材料的试验已令许多观众信服,使用战术固体激光武器的时代已近在眼前。”
利弗莫尔的研究小组及其工业伙伴(包括雷声公司、通用原子公司、PEI电子公司、Northrop Grumman、Goodrich公司、Armstrong激光技术公司和SAFT America公司)已经着手研究一种可安装在新款Humvee 军用吉普并由其驱动的SSHCL。这种实验室演示的最新型的SSHCL,在10秒发射模式时,输出功率可达100,000瓦,美国军方准备在2007年进行演示。
赵彦生 译自STR 2002.12 |
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