高功率激光器發(fā)展趨勢

羅 威，董文鋒，楊華兵，許鵬程，唐志凱

(空軍預警學院五系，湖北武漢430019)

1 引言

1960年，Maiman制造出第一臺紅寶石固態(tài)激光器［1］，由于具有高亮度、單色性好、方向性好的特點，激光自誕生之日起便與軍事應用緊密聯(lián)系在一起，特別是發(fā)展“光速防御/進攻”定向能激光武器的強大吸引力，一直推動著高功率激光器的快速發(fā)展［2］。

激光器本質(zhì)上是將其他能量轉(zhuǎn)換為激光的器件。激光器有多種分類方式，按工作介質(zhì)可分為:固體激光器(紅寶石激光器、釹玻璃激光器、Nd∶YAG激光器)、氣體及蒸汽激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器、銅蒸汽激光器)、液體激光器(染料激光器)、自由電子激光器等，一些新型獨立命名的激光器，如光纖激光器、半導體激光器等都可歸于固體激光器，而HF/DF化學激光器、堿金屬激光器等都可歸于氣體及蒸汽激光器。按泵浦/激勵方式的不同可分為光泵浦、電激勵激光器(電泵浦)、燃燒驅(qū)動激光器(熱泵浦)、化學激光器(化學反應泵浦)等，在一些激光器中采用組合泵浦方式;按運轉(zhuǎn)方式又可分為連續(xù)波激光器和脈沖激光器［3］。

激光器發(fā)展至今種類眾多，某些激光器發(fā)展多年技術成熟應用廣泛，但仍停留在低功率輸出水平，如氦氖激光器;某些新型激光器發(fā)明不久，便被認定為超高功率激光器備選方案并得到大力發(fā)展，如二極管泵浦堿金屬激光器，其原因是因為高功率激光器的發(fā)展隱藏著某些特殊要求和一般性規(guī)律。本文對已實現(xiàn)超高功率輸出及有實現(xiàn)超高功率輸出潛質(zhì)的激光系統(tǒng)進行了歸納總結(jié)，其中包括二氧化碳激光器、HF/DF化學激光器、氧碘化學激光器、光纖激光器、固體激光器、半導體泵浦堿金屬激光器等，并對高功率激光器發(fā)展趨勢及內(nèi)在規(guī)律進行了討論。

2 高功率激光器

2.1 二氧化碳激光器

CO2激光器包括電激勵CO2激光器和燃燒驅(qū)動氣動CO2激光器兩種類型。Patel于1964年首次提出發(fā)展CO2激光器的設想，并于1965年發(fā)明首臺電激勵CO2激光器［4］。電激勵CO2氣體激光器的基本原理為:對N2－CO2－He混合氣體進行放電，利用放電將N2分子激勵到振動激發(fā)態(tài)，隨后通過近共振傳能將能量從激發(fā)態(tài)N2分子轉(zhuǎn)移到CO2分子，產(chǎn)生激射態(tài)CO2分子并最終形成激射，反應方程式如下:

燃燒驅(qū)動氣動CO2激光器反應方程式與之基本相同，但是通過燃燒放熱來產(chǎn)生振動激發(fā)態(tài)的N2分子，并通過超音速擴張的氣動方式來“凍結(jié)”能量。

電激勵CO2激光器是最早發(fā)展的高能激光系統(tǒng)，目前功率水平在25kW左右［5－6］，激光器系統(tǒng)具有極高的可靠性、非常穩(wěn)定的功率輸出以及卓越的光束質(zhì)量，在工業(yè)材料處理領域(如激光切割、焊接、打標等)長期占據(jù)統(tǒng)治性地位，但電激勵CO2激光器也有缺點:(1)波長太長限制了光束聚焦的緊密度;(2)此波長不能通過光纖傳輸，只能使用反射鏡組件將光束從激光器傳輸?shù)焦ぷ鲌鏊?(3)激光器維護時偶爾需要更換放電氣體和電極［7］。因此在新型固體激光器和光纖激光器出現(xiàn)后，電激勵CO2激光器正在被逐步替代。

燃燒驅(qū)動氣動CO2激光器是最早發(fā)展的超高功率激光系統(tǒng)，還是首臺連續(xù)波千瓦級功率輸出同時運行時間到達百秒量級的激光器［8］，艾維克·愛弗雷德實驗室135kW大型氣動CO2激光器則是首臺輸出功率超過100kW的超高功率激光器［2］。美國空軍“機載激光實驗室”(Airborne Laser Laboratory，ALL)項目以超高功率氣動CO2激光器為基礎，計劃將一臺半兆瓦量級的激光器裝入改進的波音707飛機，并結(jié)合光束控制系統(tǒng)來構建整套激光武器系統(tǒng)。ALL順利引導激光光束聚焦并引爆拖曳前行的模擬目標——AIM－9B空對空導彈，并擊毀用于模擬海面巡航導彈的海面掠行靶機。由于存在激光波長較長而光學鏡面尺寸有限、10km以上大氣傳輸性能非常差等缺點，ALL獲得了實驗室成功，但不適合作為實戰(zhàn)武器系統(tǒng)，1983年ALL項目被終止。

電激勵CO激光器與CO2激光器原理相似，最高發(fā)展水平為短時間運行100kW功率輸出系統(tǒng)［9］，其系統(tǒng)可靠性、實用性都遠不及CO2激光器，因此沒有得到太多關注。

2.2 HF/DF化學激光器

與CO2激光器相似，HF/DF化學激光器也包括電激勵HF/DF化學激光器［10］和燃燒驅(qū)動 HF/DF化學激光器，不同的是，HF/DF激光器中放電和燃燒僅用于解離氟源氣體(F2，NF3，SF6等)產(chǎn)生F原子，而高功率HF/DF化學激光器一般為燃燒驅(qū)動類型。激光器泵浦方式為式(4)所示化學反應，一般被稱之為“冷反應”，激光的產(chǎn)生見式(5)，DF激光器的泵浦與激射與HF激光器類似［11］。

1967年，Kompa等人首先成功演示脈沖式HF激光器［12］，1969年Spencer等人引入氣動技術實現(xiàn)了連續(xù)波HF激光器［13］。之后HF/DF激光器的發(fā)展可謂突飛猛進，激光器輸出功率在短短十余年就突破了兆瓦級。以HF/DF激光器為基礎開展了多項激光武器研制計劃，其中包括“基本演示激光器”項目(Baseline Demonstration Laser，BDL)、“海軍ARPA化學激光器”/“先進中紅外化學激光器”項目(Navy-ARPA Chemical Laser/Mid-Infrared Chemical Laser，NACL/MIRACL)、“Alpha 天基激光器”項目(Alpha Space Based Laser，SBL)、地基“戰(zhàn)術高能激光器”/“機動戰(zhàn)術高能激光器”項目(Tactical High Energy Laser/Mobile Tactical High Energy Laser，THEL/MTHEL)等。

BDL項目在1973年首次出光，并成為世界上首臺百千瓦量級HF/DF化學激光器。MIRACL1980年研制成功，成為首臺兆瓦級DF化學激光器，到1983年MIRACL最高輸出功率達到2.2MW，輸出功率1MW時光束質(zhì)量達2倍衍射極限［14］，MIRACL激光器在美軍白沙導彈靶場高能激光測試中心(HELSTF)中使用超過25年［2］，配合“海石”光束定向器完成了對“陶”式反坦克導彈、“大力神”火箭、“火蜂”靶機、“喀秋莎”火箭彈、衛(wèi)星等多次攻擊實驗［15］。Alpha激光器為環(huán)柱型 HF化學激光器，1989年研制成功，到1992年其最高輸出功率達到5MW，光束質(zhì)量達到近衍射極限［16］，Alpha激光器曾用于美國首個“天基激光器”(Space Based Laser，SBL)項目，項目所需要的大部分技術已完成研制及組合，但由于其他原因該項目于2002年被終止［2］。THEL/MTHEL項目由美國和以色列聯(lián)合研制，其設計目標是發(fā)展成陸軍使用的機動平臺戰(zhàn)術激光武器，用于對抗來襲火箭彈、榴彈炮、迫擊炮等，2000年THEL系統(tǒng)成功追蹤并摧毀多枚“喀秋莎”火箭［17］;MTHEL系統(tǒng)用三輛車裝載，一輛裝氟化氘激光器，一輛裝火控雷達，一輛裝激光燃料，在2004年的試驗中成功擊毀了多發(fā)齊射迫擊炮彈，由于有效射程不滿足實際作戰(zhàn)需求，該項目在2006年被終止［18］。

HF/DF化學激光器需要在低光腔壓力條件下工作，而產(chǎn)生的廢氣需排入大氣。在小型低功率激光系統(tǒng)中可用真空機組來制造低腔壓條件，而大型高功率激光系統(tǒng)中只能用擴壓器和引射器構成的壓力恢復系統(tǒng)來實現(xiàn)廢氣直排。壓力恢復系統(tǒng)器件本身和所需的大量引射氣體造成HF/DF化學激光器體積重量龐大，導致機動平臺難以負載，這也是制約HF/DF激光器軍事應用的主要因素之一。

2.3 氧碘化學激光器

氧碘化學激光器工作原理為，首先利用雙氧水(H2O2)和氯氣(Cl2)發(fā)生化學反應來產(chǎn)生單重態(tài)氧，單重態(tài)氧(O2*)在光學諧振器中與碘混合，通過碰撞產(chǎn)生激發(fā)態(tài)碘原子，然后通過受激輻射產(chǎn)生激光:

氧碘化學激光器(chemical oxygen-iodine laser，COIL)在1978年首次演示成功［19］。之后COIL技術經(jīng)歷了長足發(fā)展，輸出功率快速提升［20－22］，COIL與HF/DF激光器一樣需要在低光腔壓力條件下工作，重量體積同樣也成為COIL軍事應用的主要制約因素之一，因此過去10年內(nèi)COIL技術最主要的推動力量是提高系統(tǒng)總壓來簡化壓力恢復系統(tǒng)，方案為通過單重態(tài)氧發(fā)生器(singlet-oxygen generator，SOG)和光腔內(nèi)氣流混合設計來提高運行壓強［23－24］。

COIL技術在“先進戰(zhàn)術激光”(Advanced Tactical Laser，ATL)和“機載激光”(Airborne Laser，ABL)項目中達到發(fā)展頂峰，在ATL演示中燒穿了運動中卡車的引擎罩［25］，在ABL演示中成功擊落處于助推段的彈道導彈［26］。ATL和ABL項目完成了對組成整套復雜武器系統(tǒng)的各項至關重要技術的全面系統(tǒng)驗證，包括激光器、光束控制、自適應光學、大氣光學、熱管理和流體控制系統(tǒng)、壓力恢復系統(tǒng)、遠距離追蹤等技術。ABL設計指標為:激光器連續(xù)波輸出功率達到3MW，交戰(zhàn)時間5s/10s，最大射程300km/600km，計劃用于戰(zhàn)區(qū)范圍內(nèi)摧毀處于助推段的彈道導彈以及其他各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術目標。由于激光器體積重量龐大，ABL戰(zhàn)場應用面臨眾多的問題，2011年12月美國國防部正式終止ABL研發(fā)計劃。

COIL是仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，發(fā)展方向有［27］:(1)提高激光器的效率，盡可能地降低單態(tài)氧發(fā)生器中產(chǎn)生的水，把水對單態(tài)氧的猝滅降至最低限制;(2)采用新的燃料和化學混合物，激光器中單態(tài)氧發(fā)生器占了很大重量，正在研究一些代替單態(tài)氧的方法，如全氣相碘激光器［28］，電激勵氧碘激光器［29］;(3)燃料循環(huán)使用，燃料差不多占了飛機載重的1/3，因此開發(fā)循環(huán)使用燃料的方法至關重要;(4)采用塑料件代替鋼部件，不僅能大大減輕重量，而且注塑成形降低了成本;(5)采用新氣源引射器，減小了激光器壓力恢復系統(tǒng)的重量和體積;(6)研制高壓運行的COIL，減小壓力恢復系統(tǒng)的重量和體積。

2.4 自由電子激光器

自由電子激光器(free electron laser，F(xiàn)EL)由Madey等人首次演示［30］，這是一種完全不同的高能激光系統(tǒng)。自由電子激光是由電子加速器產(chǎn)生的相對論性(接近光速)電子束團在周期性磁場中振蕩產(chǎn)生的相干輻射。自由電子與電磁場的經(jīng)典交互作用產(chǎn)生了激光增益區(qū)域，并通過光腔將有用能量以激光光束的形式提取出來［31］，其原理如圖1所示。

圖1 自由電子激光器原理示意圖［7］

FEL的特點之一是激光波長取決于電子束能量和周期性磁場的磁場強度，而非取決于任何原子或分子的特定量子態(tài)，因此FEL具有獨特的優(yōu)點，即能夠在軟X射線至中紅外寬廣波段范圍內(nèi)實現(xiàn)波長調(diào)諧輸出。然而在高功率輸出時，同一組鏡片只能用于特定較窄波段激光振蕩及傳輸，即波長調(diào)諧輸出時人們必需更換鏡子來適應特定波長，并更換和調(diào)試相應部件，這個操作過程不可能很快完成。FEL的另一傳統(tǒng)缺點即存在體積重量大和電效率低的問題。

美國海軍一直重點發(fā)展FEL，因為FEL波長可調(diào)諧的特點使激光能在海面富含水汽的大氣環(huán)境中更好的傳輸，同時海軍擁有的大型艦船能夠容納FEL體積重量大和電效率低的缺點［7］。兆瓦級自由電子激光器在理論上可以實現(xiàn)［32－33］，但到目前為止，有報道的FEL最高水平為連續(xù)波14.3kW功率輸出［34］。

2.5 固體激光器

利用閃光燈泵浦技術，首臺固體激光器(solid state laser，SSL)也是首臺激光器由Maiman演示成功［1］。SSL的增益介質(zhì)為摻雜有稀土元素(如釹、鉺、鐿等)的晶體棒或晶體板(有時極薄);使用不同摻雜物能產(chǎn)生系列不同輸出波長，但一般都位于近紅外區(qū)域。最常見并使用至今的晶體材料之一為摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)，相應激光波長為1064nm。閃光燈泵浦技術的低效率使SSL在很長時間內(nèi)步履維艱，直到使用二極管激光器作為泵浦源之后，使SSL的電光效率大幅提高，其機動平臺軍事應用潛力才顯現(xiàn)出來［35］。

世紀之交，二極管泵浦固體激光器(diode pumped solid state laser，DPSSL)發(fā)展迅猛。Goodno等人于2001年研制出415W連續(xù)波DPSSL，光光轉(zhuǎn)換效率達到30%［36］，之后研制出功率高達19kW的鎖相Z字型板條激光器陣列［37－38］。DPSSL目前最高水平為105kW鎖相激光系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，對7個15kW的主振蕩功率放大器(master oscillatorpower amplifier，MOPA)激光鏈進行了相干合成，如圖2所示，(直流)電光轉(zhuǎn)換效率達19.3%，平均光束質(zhì)量(BQ)為 2.9，運行時間超過 300s［39］。

圖2 105kW鎖相SSL激光系統(tǒng)示意圖［7］YDFA—鐿摻雜光纖放大器;PM—相位調(diào)制器;AOM—聲光調(diào)制器

SSL領域顯示出光明前景的一個分支為薄盤片激光器。Giesen等人在將近20年前已提出此概念［40］，Giesen和 Speiser對此類型 SSL進行了非常好的專題論述［41］。盤片激光器在保持較好光束質(zhì)量情況下已獲得超過35kW的功率輸出。

最近在“海上演示激光”(Maritime Demonstration Laser，MDL)項目中，美國海軍利用諾·格公司建造的SSL系統(tǒng)演示了艦船防御，在一英里之外擊壞了一座小型船只的發(fā)動機［42］。在“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(High-Energy Liquid Laser Area Defense Systems，HELLADS)項目中，將系列薄盤片激光放大器浸泡在冷卻液中，用這種獨特方式來緩解在高功率SSL系統(tǒng)中普遍存在的廢熱管理問題［7］。

SSL存在的主要問題是晶體內(nèi)廢熱沉積，產(chǎn)生熱梯度并導致光束質(zhì)量問題。在高功率SSL嘗試了多種散熱方式，如加大晶體散熱面積(板條、薄盤片激光器)、預先冷卻(熱容激光器)、流體流動散熱(氣冷、水冷)等，SSL系統(tǒng)的發(fā)展方向和實際應用前景也取決于對廢熱管理的改進程度。

2.6 光纖激光器

光纖激光器是指采用摻雜光纖作為增益介質(zhì)的激光器，與固體激光器類似，其輸出波長與摻雜元素相關，一般位于近紅外區(qū)域。光纖激光器的概念早在1961年就已提出［43］，3年之后被Koester和Snitzer驗證［44］。之后20多年光纖激光系統(tǒng)發(fā)展緩慢，但到了1990年代，為滿足因特網(wǎng)持續(xù)快速發(fā)展的需求，用于快速通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w技術經(jīng)歷了爆炸式發(fā)展。近年來，隨著大模場面積雙包層摻雜光纖制造工藝和激光二極管泵浦技術的發(fā)展，單根單模雙包層光纖激光器的輸出功率迅速提高［45－47］。高能光纖激光系統(tǒng)的當前最高技術水平是IPG光子公司制造和銷售的10kW單模光纖激光器［48］，插頭效率(注:總電光效率)大于30%。IPG同時銷售一種50kW的光纖激光系統(tǒng)，但是其光束質(zhì)量極差(BQ＞30)。

光纖激光器有個重要的問題難以解決，即單根光纖激光器內(nèi)部極高的功率密度會不可避免地誘發(fā)受激布里淵散射(SBS);這將限制單根光纖激光器輸出功率的提高［49］，有研究指出單模寬譜光纖的輸出功率極限約為36.6kW［50］。進一步提高光纖激光器輸出功率的解決方案中，光束合成有一定優(yōu)勢也有潛在局限性［51］，對高功率光纖激光器進行相干光束合成的研究也正在進行當中［52］。在美國海軍“激光武器系統(tǒng)”(Laser Weapon System，LaWS)項目中，最近成功演示了光纖激光器技術的軍事應用［53］。

光纖激光器是仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，由于具有電光效率高、熱管理方便、結(jié)構緊湊、能夠?qū)崿F(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量激光輸出等優(yōu)點，光纖激光器功率提升及軍事應用前景被普遍看好，也得到非常多的關注。同時光纖激光器進軍材料加工領域后，正在逐步替代CO2激光器的統(tǒng)治地位，因為其波長能夠與大多數(shù)金屬更好地耦合，并且利用光纖可以很方便地將激光導入到工作臺。

2.7 堿金屬激光器

堿金屬激光器全稱為二極管激光泵浦堿金屬蒸汽激光器(Diode pumped alkali vapor laser，DPAL)，堿金屬是指鋰、鈉、鉀、銣、銫等元素，研究較多的銣激光波長為795nm，銫激光波長為895nm，兩種波長均位于大氣窗口，大氣傳輸性能極佳。2003年銣原子激光器完成首次出光演示［54］，到2012年 DPAL實現(xiàn)了介質(zhì)閉環(huán)流動1000W連續(xù)波銫激光輸出［55］。

DPAL的發(fā)展目前還面臨著很多問題，如二極管激光器的泵浦光線寬與DPAL系統(tǒng)增益介質(zhì)吸收線寬不匹配的問題，增益介質(zhì)流動的問題等等，但這并不妨礙研究者將其定標放大至超高功率輸出激光系統(tǒng)的信心［56］，原因在于DPAL綜合了傳統(tǒng)氣體和固體激光的優(yōu)勢，即氣體介質(zhì)流動散熱、采用高功率的二極管激光器陣列來作為泵浦源，其他優(yōu)點還有全電操作、結(jié)構緊湊、高量子效率、介質(zhì)可循環(huán)使用、不存在單口徑功率極限等，對兆瓦級DPAL進行概念設計的研究工作已然開展［57］。

在DPAL連續(xù)波輸出功率剛剛突破千瓦前提下，系統(tǒng)能否順利擴大規(guī)模還有很多問題，因此DPAL只能稱之為有潛力實現(xiàn)高功率輸出的激光系統(tǒng)，本文將DPAL列于其中，正是為了分析分析高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律。

3 高功率激光器發(fā)展趨勢

從發(fā)明至今，激光技術經(jīng)歷了40余年的高速發(fā)展，根據(jù)不同應用需求發(fā)展出種類繁多的激光器，而高功率激光器則有其獨特的發(fā)展規(guī)律。作為能量轉(zhuǎn)換器件，激光器可簡單分為能量注入、能量轉(zhuǎn)換、激光產(chǎn)生三部分，研制高功率激光器的關鍵即發(fā)展高功率能量注入、能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好的激光系統(tǒng)。

在能量注入方面，高功率高效率的能量注入是實現(xiàn)高功率激光輸出的基本條件。在激光器中除了使用電(磁)、光、熱、電子運動、化學反應等能量形式之外，甚至還嘗試過核能、煙火能量等。每種能量又各自包括很多具體實施方式，如電泵浦就包括直流輝光放電、空心陰極放電、弧光放電、微波射頻放電等多種方式［10］。在很多激光器中實際使用的是組合泵浦方式，如燃燒驅(qū)動HF/DF化學激光器中，用燃燒放熱解離氟源(如NF3、F2等)產(chǎn)生F原子，F(xiàn)原子參與化學反應產(chǎn)生HF/DF增益介質(zhì);二極管泵浦固體/光纖激光器中先通過電光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生寬線寬的二極管激光，再用二極管激光泵浦晶體/光纖產(chǎn)生窄線寬的固體/光纖激光。發(fā)展高功率激光系統(tǒng)需要從中選擇最易實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)高功率高效率能量注入的方式，如多種生成鹵化氫的化學反應都可用于產(chǎn)生激光，但僅HF激光器實現(xiàn)超過功率輸出，因為其化學反應放熱量最大。

在能量轉(zhuǎn)換方面，高能量轉(zhuǎn)換效率是實現(xiàn)高功率激光輸出的必要條件。實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的一種方式為簡化轉(zhuǎn)換過程，如化學激光器直接將燃料化學能轉(zhuǎn)換為激光，與其他激光器相比省去了能量轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，因此發(fā)展短短十余年就實現(xiàn)兆瓦級輸出并長期在高能激光器領域獨領風騷;另一種方式則是提高各能量轉(zhuǎn)換過程的效率，如固體激光器初期采用閃光燈泵浦，閃光燈－激光的低效率使固體激光器的發(fā)展一度陷入停滯，但采用二極管激光作為泵浦源后，電能－激光二極管－固體激光的能量轉(zhuǎn)換效率均大為提高，固體激光器也很快重新進入高能激光器行列。高能量轉(zhuǎn)換效率對高功率激光器來說至關重要，并直接影響高功率激光器的發(fā)展方向，其作用主要體現(xiàn)在如下兩個方面:

一、激光器體積重量。激光器體積重量過大是目前制約激光武器發(fā)展的主要因素，激光系統(tǒng)(HF激光器、氧碘激光器)體積重量龐大導致平臺難以負載，是天基激光武器(SBL)和機載激光武器(ABL)項目下馬的直接原因，而燃料儲罐在激光系統(tǒng)體積重量構成中占據(jù)了相當大的比重，提高能量轉(zhuǎn)換效率能有效縮減激光器體積重量。高功率固體和光纖激光器在將來實現(xiàn)機動平臺軍事應用時，實際上需要三次能量轉(zhuǎn)換過程，即燃料－電能－激光二極管陣列－激光器，任何一次轉(zhuǎn)換若不能足夠高效都會導致整套激光器件的體積重量龐大。

二、廢熱管理。激光器作為能量轉(zhuǎn)換器件，總注入能量除轉(zhuǎn)換為激光輸出外，剩余能量大部分將會轉(zhuǎn)換為廢熱。假設一臺兆瓦級激光器的總能量轉(zhuǎn)換效率為20%，那么會產(chǎn)生將近4 MW的廢熱，即相當于3～4倍的激光能量將會反饋至激光器自身。廢熱除了會損害激光系統(tǒng)器件，增益介質(zhì)中的廢熱還會直接影響激光光束質(zhì)量。如何處理廢熱是發(fā)展高功率激光器要解決的首要問題，也直接限定了高功率激光器的發(fā)展思路。外部器件的冷卻一般采用常見的風冷、水冷方式，對激光器內(nèi)部即增益介質(zhì)的廢熱處理方式選擇則非常有限:快速流動(氣體液體介質(zhì))、增大散熱表面積(固態(tài)介質(zhì))。如高功率CO2激光器、HF/DF激光器、氧碘激光器均采用增益介質(zhì)快速流動方式，將提取過增益的介質(zhì)快速排出激光器，廢熱也隨之排出;高功率固體和光纖激光器均采用增大散熱表面積方式，固體激光器增益介質(zhì)為板條型或薄盤片型晶體，光纖激光器增益介質(zhì)則為極細極長的光纖，其它方式如固體熱容激光器尚能在一般高功率下運行，但無法適應超高功率運行。

在激光產(chǎn)生方面，光束質(zhì)量好、大氣傳輸性能好的激光是高功率激光器實際軍事應用的有效保障。高光束質(zhì)量能夠保障激光束在遠距離傳輸后仍能很好地聚焦，光束質(zhì)量與激光介質(zhì)(濃度、折射率、溫度等)均勻性關系密切，實際運行中廢熱管理問題對光束質(zhì)量有較大影響。大氣傳輸性能好主要是指激光波長應位于傳輸透射率高的大氣窗口區(qū)，這樣遠距離傳輸后激光功率只會有限衰減。此外，由于激光“亮度”與波長平方成反比，為達到更好破壞效果，傾向于發(fā)展波長更短的高功率激光系統(tǒng)［2］，從CO2激光器、HF/DF激光器、COIL、固體/光纖激光器到DPAL的實際發(fā)展歷程也顯示激光器波長在逐步縮短，然而為避免激光散射光對人眼造成傷害，激光波長應處于“人眼安全”范圍(大于 ＞1.4μm)［7］，如何權衡尚無定論。

4 結(jié)論

在軍事應用需求的強力推動之下，高功率激光器技術向著更高功率、更好光束質(zhì)量、更佳大氣傳輸性能、更高能量轉(zhuǎn)換效率、更緊湊簡便的方向發(fā)展。二氧化碳激光器、氟化氫/氟化氘化學激光器、氧碘化學激光器、光纖激光器、固體激光器、半導體泵浦堿金屬激光器等都是激光技術領域的非凡成就，本文對其各自發(fā)展歷程和共同發(fā)展規(guī)律進行了總結(jié)，指出研制高功率激光器的關鍵即發(fā)展高功率能量注入、能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好的激光系統(tǒng)。

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