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从美国俄罗斯用激光武器击落无人机看固体激光器的发展

时间:2020-06-11 作者:Challey 阅读:
据有关消息,近日,俄罗斯使用Peresvet激光武器成功击落了一架某国的无人机。Peresvet是基于固态激光相控阵发射的红外光束,它可以使目标的传感器系统瘫痪。而就在不久前,美国也成功测试了一款新型的高能激光武器,使用的也是固体激光系统。
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据有关消息,近日,俄罗斯使用Peresvet激光武器成功击落了一架某国的无人机。Peresvet是基于固态激光相控阵发射的红外光束,它可以使目标的传感器系统瘫痪。RVdEETC-电子工程专辑

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而就在不久前,据美国有线电视新闻网(CNN)消息,当地时间5月22日,美国太平洋舰队在一份声明中称,一艘美国海军军舰成功测试了一款新型的高能激光武器,能够摧毁飞行中的飞机。“波特兰”号指挥官凯利·桑德斯(Karrey Sanders)表示,“通过针对无人机与小型飞机进行的海上测试,我们将能获得有关固体激光武器系统在抵御潜在威胁能力方面的宝贵信息。”RVdEETC-电子工程专辑

上面均提到,两种武器系统使用的均为固体激光。RVdEETC-电子工程专辑

激光武器原理RVdEETC-电子工程专辑

激光与原子能、半导体、计算机一起被称为20世纪的四大发明。由于激光有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好等特征,作为武器应用的前景广泛。RVdEETC-电子工程专辑

激光武器是利用定向发射的激光束来直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。它的优点是速度快、射束直、射击精度高、抗电磁干扰能力强。激光束以30万千米/秒的速度传播,瞄准即意味着击中目标。缺点是不能全天候作战,受限于大雾、大雪、大雨,且激光发射系统属精密光学系统,也受大气影响严重,如大气对能量的吸收、大气扰动引起的能量衰减、热晕效应、湍流以及光束抖动引起的衰减等。RVdEETC-电子工程专辑

破坏机理RVdEETC-电子工程专辑

激光击毁目标有两个方面:一是穿孔,二是层裂。所谓穿孔,RVdEETC-电子工程专辑

就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化,进而汽化蒸发,汽化物质向外喷射,反冲力形成冲击波,在靶材上穿一个孔。所谓层裂,就是靶材表面吸收激光能量后,原子被电离,形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断,形成“层裂”破坏。除此以外,等离子体“云”还能辐射紫外线或X光,破坏目标结构和电子元件。RVdEETC-电子工程专辑

激光武器的破坏机理是:RVdEETC-电子工程专辑

1. 热破坏。当目标受到强激光照射后,表面材料吸收热量而被加热,产生软化、熔化、气化直至电离,当目标材料深层温度高于表面温度使气化加快时,内部压力增高产生爆炸。RVdEETC-电子工程专辑

2. 力学破坏。当被激光照射物体产生气化、电离形成的等离子体高速向外喷射,形成的反冲力会使目标变形断裂。RVdEETC-电子工程专辑

3. 辐射破坏。等离子体能够辐射紫外线或X射线,破坏目标内部的电子元器件。RVdEETC-电子工程专辑

激光武器的特点是:能量集中、传输速度快、命中精度高、转移火力快、抗电磁干扰、能多次重复使用,作战效费比高。激光武器主要由产生光源的激光器和具有跟踪、瞄准和发射作用的光束定向器组成。RVdEETC-电子工程专辑

组成器件RVdEETC-电子工程专辑

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。RVdEETC-电子工程专辑

中美激光武器发展史RVdEETC-电子工程专辑

美国固态激光雷达发展史RVdEETC-电子工程专辑

美国自从在冷战时期高调推出了所谓的“星球大战”计划以来,就一直把激光武器作为向全世界展示自己强大科技实力和战略威慑能力的主要手段,不遗余力地投入大量经费进行研究,催生了一系列令人眼花缭乱的发展项目,其中知名度最高的当属ABL和ATL这两款机载激光武器系统。ABL的平台为波音747-400F大型运输机,主要用于弹道导弹拦截;ATL的平台为C130H中型运输机,主要用于对地攻击。RVdEETC-电子工程专辑

不过美国在选择技术路线的时候明显走了一个很大的弯路,ABL和ATL都是采用的化学激光器,优点是技术成熟、结构简单,但是缺点也是相当的致命,需要携带庞大笨重的化学燃料罐来提供发射能源,激光器自身的体积和重量也相当大,ABL的总重量超过40吨,ATL的总重量也接近10吨,携带使用非常不方便,而且还存在质量功率比太高、散热效果不佳等诸多缺陷,最终美国经过评估,认为ABL和ATL不符合实战应用的条件,选择双双下马了事。RVdEETC-电子工程专辑

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美国将研制工作的重点从笨重的化学激光武器转向了紧凑的高能固体激光武器RVdEETC-电子工程专辑

之后美国将研究的重点转向了固体激光武器、自由电子激光武器和光纤激光武器,并于2014年将首款实用化的高能固体激光武器部署到了“庞塞”号船坞登陆舰上面,进行各种近程防御拦截测试。虽然从高大上的反导变成了技术含量相对较低的末端近防,但是也让美国人看到了激光武器实战化的希望和曙光,并计划进一步在F35、宙斯盾军舰上推广普及这种低成本、高效率的防御武器。RVdEETC-电子工程专辑

直到最近,美国使用固态激光摧毁飞行中的飞机,使这种固体激光技术发展到了最新的阶段。RVdEETC-电子工程专辑

中国激光武器发展RVdEETC-电子工程专辑

上个世纪60年代中国启动了旨在实施弹道导弹和航空航天器拦截的“640-3”激光武器项目,虽然因为经费和技术等问题最终半途而废,但是却取得了一大批极其重要的技术和人才积累,为后来中国激光器应用于各个领域的厚积薄发奠定了坚实基础,比如99式主战坦克所装备的光学压制系统就是一款用于毁伤敌方观瞄设备的早期实用化激光武器。RVdEETC-电子工程专辑

在技术路线的选择上,中国一开始就把研究的重点放在了固体激光武器领域,尤其是在最关键的核心技术——激光倍频材料上远远领先于国际同行,早在90年代中国就攻克了“局域自发成核生长技术”,研制出了世界上唯一可以直接产生极窄频宽深紫外激光的KBBF晶体,长期独家垄断制造技术并且限制向国外出口,美国直到2016年初步才实现了KBBF晶体的自主化生产。然而中国又鼓捣出了更新一代的RABF晶体,让美国的国产KBBF晶体陷入了“未使用既落后”的窘境。RVdEETC-电子工程专辑

固体激光器RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器RVdEETC-电子工程专辑

半导体激光器泵浦的固态激光器(LDPSSL)顾名思义是以 LD 或者 LD 阵列(Laser Diode Array,简写 LDA)作为泵浦源,以固体激光材料作为增益介质的激光产生装置。这种激光器核心部件没有液体(如染料、水等)或者气体(如一些惰性气体),常被称为全固态(或全固体)激光器(All Solid State Laser)。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器(DPL)具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点,市场需求十分巨大。全固态激光技术是目前我国在国际上为数不多的从材料源头直到激光系统集成拥有整体优势的高技术领域之一,具备了在部分领域加速发展的良好基础。RVdEETC-电子工程专辑

高功率、小型化的全固态蓝绿激光器在海洋探测、水下通信等军事领域或者医学方面都具有重要的地位,这些应用一般都需要高功率蓝绿激光。目前,常用的1064 nm Nd∶YAG激光器的倍频效率一般只有50%左右,因此通过提高倍频效率来提高整机的电光效率显得非常重要。如何提高非线性光学频率变换的效率一直是激光技术界的研究热点。David Eimerl[5]提出了正交频率变换的概念受到关注,他们按照正交频率变换的方式使用两块KD*P晶体,对于基波是Nd∶YLF激光输出经掺Nd磷酸盐玻璃放大器放大后的1053 nm激光脉冲,在基波功率密度为200 MW/c。RVdEETC-电子工程专辑

半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍,由于单位输出的热负荷降低,可获取更高的功率,系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍,因此,半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力,使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点,它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命,也是固体激光器的发展方向。并且,它已渗透到各个学科领域,例如:激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等,极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。这些交叉技术与学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件,因此一直倍受关注。近来,由于大功率半导体激光器迅速发展,促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开,并取得了诸多显赫成果。已经确认,传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式,均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势,采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器分类RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器(DPL,Diode Pumped solid state Laser)是指以半导体激光器(LD)作为泵浦源的固体激光器,相对于只要求工作物质为固体激光材料的传统固体激光器,DPL的激光工作物质、激励源等部分均由固体物质构成,它集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身,具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵便(连续/重复率/长/短脉冲)、易智能化、无污染等优点,成为目前最具潜力的新一代激光源之一。RVdEETC-电子工程专辑

按泵浦方式来分类,全固态激光器可分为端面泵浦、侧面泵浦和混合泵浦等类型。一般来说,中小功率的激光器多采用端面泵浦方式,可得到比较好的光束质量;而高功率的激光器多采用侧面泵浦或混合泵浦方式,但光束质量比较差。近来,随着泵浦技术研究的不断发展和成熟,也有人采用特殊技术、利用侧泵方式获得了高光束质量的激光输出,及利用端泵方式实现高功率的报道。RVdEETC-电子工程专辑

按工作物质形状来分类,全固态激光器常被分为以下几种:棒状激光器、板条激光器, 盘片激光器和光纤激光器等。它们各有优点,近来都吸引了众多的科研工作者的光,并都获得了迅速的发展,当前,最高功率已实现万瓦级的激光输出。RVdEETC-电子工程专辑

DPL具有的独特优势以及广阔的应用前景,国际上都投入了大量的人力和财力进行研究并取得了重大进展,当前输出平均功率均已超过万瓦,并已经分别用于工业或军事领域。国内在这方面的研究起步较晚,与国际尚有较大差距,但发展非常迅速,已逐步接近国际水平。2008年7月,中国科学院半导体研究所为国内首家研制成功满足工业需求的千瓦级全固态激光器的单位。RVdEETC-电子工程专辑

另外,DPL通过变频可实现红、绿、蓝等可见光输出,进一步变频可实现紫外甚至深紫外的激光输出,而利用光参量等方式,它又可以实现中红外的输出,因此具有非常广阔的输出波段。再加上DPL输出功率动态范围极大(从mW到TW),又便于模块化和电激励,因此已成为激光技术的重要发展方向,是目前最具潜力的新一代激光源之一,应用范围遍及材料加工、信息业、医疗、生物工程、环保和能源等重要领域。RVdEETC-电子工程专辑

应用概况RVdEETC-电子工程专辑

国外研究情况RVdEETC-电子工程专辑

近几年,美国、德国、特别是日本都在加大力量发展全固态紫外激光器,特别是中大功率全固态紫外激光器的开发应用。由于1064nm或532nm波长激光对材料的加工主要是产生气化或熔融等热作用,所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑,甚至有些材料(如陶瓷、硅片等)在加工时会引起碎裂,因此,全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着广泛推广应用的趋势。当前国外工业发达国家,全固态紫外激光器已开始成为工业用标准激光器。RVdEETC-电子工程专辑

据报道:RVdEETC-电子工程专辑

日本M.Nishioka公司已研发出40W的266nm全固态紫外激光器;RVdEETC-电子工程专辑

三菱公司也在市场上推出了18W 355nm 25kHz全固态紫外激光器产品;RVdEETC-电子工程专辑

相干公司的AVIV系列激光器已做到在266nm,30kHz时,平均功率大于3W,在355nm,40kHz时,平均功率大于10W;RVdEETC-电子工程专辑

光谱物理公司的YHP-series系列激光器也达到在266nm,20kHz时,平均功率大于1.5W,在355nm,20kHz时,平均功率大于3.5W;RVdEETC-电子工程专辑

Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也达到了在355nm,10kHz时,平均功率大于10W的技术指标。RVdEETC-电子工程专辑

总体来说,国外全固态紫外激光器技术及应用设备已趋向成熟,但价格昂贵。RVdEETC-电子工程专辑

国内发展与厂商RVdEETC-电子工程专辑

我国在固体激光武器领域处于国际领先水平,可摧毁上千公里以外的目标。RVdEETC-电子工程专辑

2013年我国研制成功了世界上第一款实用化的深紫外固态激光光源,标志着我国在固态激光器领域取得了国际领先地位。根据最新的卫星图像显示,中国在新疆、四川等地部署完成了陆基高能固体激光武器系统的发射装置以及跟踪监测设备,可以有效攻击轨道高度超过上千公里的人造卫星和弹道导弹,相当于从北京直接打到了成都,而且已经进行了多次拦截实验,毁伤效果相当令人满意。未来我国的高能固体激光武器还将进一步装备055驱逐舰、运20运输机、歼20战斗机等一系列平台,成为我军攻防兼备的新一代杀手锏。RVdEETC-电子工程专辑

中国是世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术的国家。RVdEETC-电子工程专辑

紫外全固态激光源是指输出波长在200纳米以下的固体激光器,与同步辐射和气体放电光源等现有光源相比,具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。长期以来,深紫外波段(波长小于200纳米)一直缺乏实用化、精密化激光源,制约了深紫外波段科学仪器和前沿研究的发展。RVdEETC-电子工程专辑

中国科学家自20世纪90年代初开始研究深紫外非线性光学晶体和激光技术,经过20多年努力,在国际上首次生产出可直接倍频产生深紫外激光非线性光学晶体,并发明棱镜耦合技术,率先发展出实用化的深紫外固态激光源,使中国成为当今世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术的国家。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器技术在国家863计划的长期支持下,已经形成了比较完整的知识产权体系和自主创新体系,是目前我国为数不多的拥有整体优势,同时也是战略必争的高技术领域。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器极高的应用价值以及我国在这一领域的总体优势,决定了我国在全固态激光器及其应用技术领域大有可为,有望发展成为一个高水平、高效益的新技术产业。RVdEETC-电子工程专辑

中国科学院RVdEETC-电子工程专辑

中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心专门从事新型全固态激光器等的专业研究中心,以高能量全固态激光器、高功率光纤激光器、空间激光器、激光雷达技术和空间激光通信为主要研究方向。RVdEETC-电子工程专辑

研究中心从20世纪90年代开始开展全固态激光器研究,是国内最早开展全固态激光器的研制单位之一。研制的激光器件从连续到高重复频率,波长从紫外到中红外。在光纤激光器方面,研究中心率先在国内开展高功率光纤激光器及其组束技术的研究,对连续波高功率光纤激光器、高功率脉冲光纤激光器、以及高功率光纤激光阵列的组束技术进行了理论探索和关键技术研究,解决了高功率光纤激光系统的若干技术难题。RVdEETC-电子工程专辑

研究中心研制了我国首台空间全固态激光器,成功应用于嫦娥一号卫星激光高度计。RVdEETC-电子工程专辑

2020年4月,研究所发文称,该所强场激光物理国家重点实验室与同济大学电子与信息工程学院研究人员合作,首次提出一种基于全固态激光器的谐振光束实现无线充电的新方案,实现2瓦电功率、2.6米无线能量传输。相关成果发表于《物理网杂志》(IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL)。RVdEETC-电子工程专辑

民用方面,也涌现了大批研发生产应用固体激光器的企业。RVdEETC-电子工程专辑

上海飞博RVdEETC-电子工程专辑

上海飞博激光科技有限公司成立于2012年6月,由中国科学院上海光机所、上海嘉定高科技园区、归国管理技术团队等共同组建,飞博连续开发了中高功率单模连续光纤激光器、高功率多模光纤激光器、大脉冲能量光纤激光器、亚纳秒脉冲光纤激光器、2μm掺铥连续光纤激光器,高功率窄线宽、线偏光纤激光器等系列产品。RVdEETC-电子工程专辑

天津全固态激光技术研究平台和产业化基地RVdEETC-电子工程专辑

由中科院光电研究院和区政府合作,经过前期的建设,2016年1月4号,该项目建成转入设备调试阶段。这个项目包括建设研发中心和产业化基地,用于生产全固态激光器。RVdEETC-电子工程专辑

大族激光RVdEETC-电子工程专辑

大族激光是著名的激光上市公司。2018年9月宣布自主研发成功了飞秒激光器,正式迈入飞秒时代!RVdEETC-电子工程专辑

网上有人在问大族激光研发的飞秒激光器是不是固态激光器,一直没有人回答,根据我们上面的全固态激光器分类标准:按工作物质形状来分类,全固态激光器常被分为以下几种:棒状激光器、板条激光器, 盘片激光器和光纤激光器等。RVdEETC-电子工程专辑

据报道,大族飞秒激光器属于光纤激光器,因此可以肯定的说大族激光自主研发的飞秒激光器属于全固态激光器。RVdEETC-电子工程专辑

安扬激光RVdEETC-电子工程专辑

武汉安扬激光技术有限责任公司成立于2010年,主要从事高功率皮秒,飞秒光纤激光器和超连续谱光源的研发、生产和应用。公司创始人陈抗抗博士毕业于英国南安普顿大学光电研究所。如今,安扬激光拥有高水平的研发团队和技术力量,掌握光纤种子激光源的产生和诊断、高功率高能量全光纤保偏光纤放大器设计及光纤制造、波长转换技术等关键技术,部分生产所需核心技术,已成功申请专利保护。RVdEETC-电子工程专辑

英诺激光RVdEETC-电子工程专辑

英诺激光科技股份有限公司2011年成立于深圳,是由中、美合资设立的高科技公司。公司是集高端激光器生产、加工、销售,激光设备贸易代理以及激光技术高端应用为一体的高端激光微加工系统解决方案提供商。RVdEETC-电子工程专辑

英诺激光南山总部设有激光应用实验室、精益激光研究院,在苏州常州设有激光工艺实验室,装备从纳秒、皮秒、飞秒,从红外、到绿光、到紫外再到深紫外的全系列激光器。公司可以开展面向不同材料、不同行业、不同技术要求的激光精密打标、切割、钻孔、焊接、表面改性、3D成型等激光应用实验和工艺开发。RVdEETC-电子工程专辑

其纳秒固体激光器是英诺激光主要的收入来源和毛利来源。RVdEETC-电子工程专辑

苏州德龙激光股份有限公司RVdEETC-电子工程专辑

苏州德龙激光股份有限公司成立于2005年,位于苏州工业园区,由中、澳两方投资创立,致力于研发、生产和销售各类高端工业应用激光设备,尤其是基于紫外激光和超短脉冲激光技术的设备,公司产品已被广泛应用于半导体、显示、精密电子、高校科研和新能源等精密加工领域。RVdEETC-电子工程专辑

华日激光RVdEETC-电子工程专辑

是华工科技旗下的一家先进固体激光器专业制造商,其全系列产品均具有自主知识产权。已拥有三大研发中心——北美(多伦多)超快激光器研发中心、中国武汉紫外与深紫外激光器研发中心、武汉飞秒激光器研发中心。研发出了纳秒级-皮秒级-飞秒级等多种脉宽,红外-绿光-紫外等多波段的固体激光器产品。RVdEETC-电子工程专辑

2018年,华日激光成立子公司“武汉华锐超快光纤激光技术有限公司”,将对固体激光器技术体系和光纤激光器的技术体系进行融合。RVdEETC-电子工程专辑

2020.1.20,福晶科技拟竞买华日激光5%股权。华日激光主营业务包括:全系列全固态半导体泵浦激光器(不含医疗器械);从小功率到大功率,从红外到紫外脉冲激光器及激光精密加工设备的研究、开发、生产、销售、维修服务、技术咨询(不含医疗器械)等。RVdEETC-电子工程专辑

而福晶科技则主要从事非线性光学晶体、激光晶体及精密光学元器件的研发、生产和销售,其产品广泛应用于激光、光通讯等工业领域。福晶科技在全球率先发明了LBO、BBO晶体(用于固态激光器),其非线性晶体、激光晶体和磁光晶体持续保持全球销售第一。福晶科技总经理陈秋华曾表示:“福晶科技是全球固体激光器市场的非线性晶体和激光晶体的主要供应商。”RVdEETC-电子工程专辑

此外还有:RVdEETC-电子工程专辑

中久光电产业有限公司RVdEETC-电子工程专辑

杭州奥创光子技术有限公司RVdEETC-电子工程专辑

广东国志激光技术有限公司(2017年成立)RVdEETC-电子工程专辑

武汉锐晶激光芯片技术有限公司(2015年成立)RVdEETC-电子工程专辑

苏州英谷激光有限公司(2013年成立)RVdEETC-电子工程专辑

深圳市格镭激光科技有限公司RVdEETC-电子工程专辑

等等。RVdEETC-电子工程专辑

应用趋势和发展方向RVdEETC-电子工程专辑

据市场分析,全球激光市场在2015年就达到100.9亿美元,预计到2022年将增长到146.7亿美元,年均复合增长率为5.33%。RVdEETC-电子工程专辑

固体激光器在国防军事、医疗、科学研究、现代加工等领域有着非常广泛的应用。可以用于激光制导、激光核聚变、激光测距、激光跟踪、激光打孔、激光切割和焊接,以及半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。RVdEETC-电子工程专辑

全固态激光器的发展方向大体为:输出功率为微/小/中型的器件将沿着多样化、智能化、产业化方向发展,大功率器件将向高平均功率/高光束质量发展,以提高激光器的转换效率,增大输出功率,改善光束质量,压缩脉冲宽度,提高可靠性和延长工作寿命等。而战略性应用的高能全固态激光器将得到特别加强从而开发出更多新技术,如当前正待发展的热容运转技术和功率合成技术。RVdEETC-电子工程专辑

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