《激光與光電子學(xué)進展》第10期發(fā)表了任國光等的《美國戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略無人機載激光武器》文章，介紹了美國機載激光計劃失敗的原因和經(jīng)驗教訓(xùn)，評述和分析了無人機載激光武器反導(dǎo)的概念、優(yōu)勢、研究計劃和現(xiàn)狀，以及存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)，討論和分析了用于助推段攔截的二極管抽運堿金屬激光器和相干合成光纖激光器的原理、特點、最新進展和技術(shù)挑戰(zhàn)。
彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈不僅能攜帶高爆彈頭，還能攜帶核彈頭和生化彈頭，是未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中的主要威脅。隨著導(dǎo)彈射程和命中精度的提高，以及導(dǎo)彈技術(shù)和核技術(shù)的擴散，這種威脅日趨嚴重。
彈道導(dǎo)彈防御中最有效的防御是在助推段，在來襲彈道導(dǎo)彈能采取對抗措施之前將其擊毀。雖然處于助推段的彈道導(dǎo)彈是最脆弱的，但攔截的難度卻遠遠高于中段和末段，關(guān)鍵的問題在于攔截的時間窗口僅有1-5分鐘，因此以光速作戰(zhàn)的激光武器就成為攔截助推段彈道導(dǎo)彈的最佳選擇。
在美國國防部(DOD)終止了裝備有化學(xué)激光器的機載激光（ABL）計劃近三年后，美國導(dǎo)彈防御局(MDA)在吸取ABL計劃的經(jīng)驗教訓(xùn)和利用美國一流國家實驗室最近在激光技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，計劃為無人機載助推段攔截研發(fā)兆瓦級的二極管抽運堿金屬激光器（DPAL）和光纖合成激光器（FCL），它們能定標到非常高的平均功率（兆瓦），而且光束質(zhì)量好，同時能獲得很高的系統(tǒng)電光效率（>40%）和非常低的系統(tǒng)重量和體積（最終目標功率密度1-2 kg•kW-1）。
采用化學(xué)激光器的機載激光（ABL）
美國DOD長期以來一直在為彈道導(dǎo)彈防御尋求發(fā)展高能激光武器，ABL是迄今DOD最雄心勃勃的定向能計劃，歷時14年，耗資53億美元。2010年2月ABL用1 MW的化學(xué)氧碘激光器（COIL）成功攔截了固體和液體燃料彈道導(dǎo)彈。
機載激光攔截助推段彈道導(dǎo)彈試驗的視頻截圖
但是，ABL射程太短生存能力低是其致命缺陷。此外武器系統(tǒng)本身也存在許多缺陷，包括激光器笨重限制了它的軍事用途，技術(shù)復(fù)雜難于維護，運行時要消耗大量高活性的危險化學(xué)品，在12-14 km空中激光束穩(wěn)定性也存在問題等。為了克服這些障礙，美國軍方希望提高單個激光器模塊的輸出功率，改進束控系統(tǒng)，以及研發(fā)新型的COIL，但這些措施都收效甚微。由于像大幅提高激光武器的射程，大量使用危險化學(xué)品這樣一些問題無法解決，再加之ABL武器系統(tǒng)的部署成本太高，DOD在2011年終止了ABL計劃。
反導(dǎo)用無人ABL武器
無人ABL武器是ABL的一個更新計劃，它們的作戰(zhàn)概念，面臨的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)挑戰(zhàn)都是相同的，不同的是用電激光器代替了化學(xué)激光器，用無人機代替了有人駕駛的大型飛機。它采用了兩項現(xiàn)代軍事技術(shù)：無人系統(tǒng)和定向能，并把兩者整合到一起，發(fā)展了一種具有兩者優(yōu)勢的新型武器系統(tǒng)。
實現(xiàn)高空無人ABL武器的關(guān)鍵是激光器，通常需要兆瓦級的功率。此外，至關(guān)重要的還有激光器的重量問題，即對激光器的功率密度有苛刻的要求。
2015年MIT/LL的FCL系統(tǒng)己獲得近衍射極限的44 kW光束，LLNL的DPAL輸出功率己達13 kW。
2016-2017年LLNL將演示30 kW的DPAL系統(tǒng),光束質(zhì)量1.5倍衍射極限 (DL)。2019年演示120 kW的DPAL系統(tǒng)，功率密度可能達到3 kg•kW-1。
2018年LL將演示5kg•kW-1的50 kW FCL系統(tǒng)。
2019年MDA將評估國家實驗室的DPAL、FCL和工業(yè)界研發(fā)的高功率激光系統(tǒng)，以便選擇最佳的方法繼續(xù)研究和制造后繼的高功率激光器，在此基礎(chǔ)上于2022年制造一臺300 kW級的激光器。 MDA希望在2025年實現(xiàn)能摧毀助推段彈道導(dǎo)彈的無人ABL武器。
高功率二極管抽運堿金屬激光器（DPAL）
建造兆瓦級激光器存在許多嚴峻的挑戰(zhàn)，而DPAL非常有吸引力，它綜合了固體激光器和氣體激光器的優(yōu)良特性。堿金屬的量子數(shù)虧損很小，因此DPAL具有非常高的光-光轉(zhuǎn)換效率。若采用高亮度的二極管或陣列抽運，則可以獲得高的電-光效率，并能以超過100 ℃的高溫排出廢氣。這就給出了一個輕量的功率定標結(jié)構(gòu)，使DPAL的質(zhì)量/功率比和體積/功率比遠低于其它的高功率激光系統(tǒng)。同時氣體型DPAL能定標到單孔徑兆瓦級的功率，有可能代替目前的一些高功率激光系統(tǒng)用于科學(xué)、技術(shù)、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域,已引起了人們廣泛的關(guān)注。
LLNL幾萬瓦DPAL的設(shè)計，采用了帶非穩(wěn)腔的橫向抽運結(jié)構(gòu),有可能獲得高的功率輸出和光束質(zhì)量。 DPAL長1 m,標稱輸出功率20-30 kW。它是一個無烴的系統(tǒng), 充氦氣2033.125 kPa , 這既可以消除窗口污染,又可采用帶寬稍寬的二極管陣列抽運,降低了對半導(dǎo)體二極管線寬窄化的要求 。DPAL采用波導(dǎo)型增益室,增益室溫度超過100 ℃ 。在增益室的窗口上形成了“之”字形光路，避免了因抽運不均勻而造成的光學(xué)質(zhì)量下降。
2013年LLNL通過放大增益池的尺寸，以及改進強光光學(xué)元件和光學(xué)涂層，創(chuàng)立了幾項世界紀錄，包括獲得3.91kW的最大輸出功率和DPAL連續(xù)運行4 min。
2014年進一步改進了增益室的窗口，二極管抽運陣列和增益室波導(dǎo)，以提高激光的輸出功率，DPAL實現(xiàn)了10 kW功率首次出光。
2015年最重要的成果是演示了DPAL試驗臺的性能，輸出功率達到13 kW，同時具有高效和極好的增益介質(zhì)熱控。DPAL累計運行時間超過100 min，無任何系統(tǒng)部件性能下降 。
2016-2017年計劃將DPAL試驗臺的功率提升至30 kW，電-光效率達到30%，光束質(zhì)量達到1.5DL。
高功率光纖合成激光器 (FCL)
最近光纖激光器取得重大進展，使它有可能成為激光武器的主要光源之一。它的電-光效率超過40%，光束質(zhì)量接近衍射極限，散熱性能好，全光纖系統(tǒng)更加堅固，能可靠地工作在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中。
為了獲得高束質(zhì)的高功率激光束，通常采用光譜光束合成和相干光束合成。相干合成是通過相控將多個波長完全相同的激光束的振幅同相位疊加，從而產(chǎn)生高功率和高束質(zhì)的單一激光束，它不僅提高了合成光束的總功率，而且也提高了光束的亮度。這直接關(guān)系到激光武器的殺傷力, 因為表征激光武器殺傷力的物理量是投射到靶上的激光亮度,而亮度是與光束質(zhì)量的平方成反比的。另外相干合成在原則上對功率定標沒有固有的限制。
MIT/LL領(lǐng)導(dǎo)了激光業(yè)界光束合成技術(shù)的發(fā)展，在過去的10年間取得了多項成果。包括光譜光束合成和相干光束合成。MIT/LL最近又實現(xiàn)了42路和101路1 kW光纖放大器的相干合成。林肯實驗室要為MDA研發(fā)尺寸小、重量輕和功耗低的高功率光纖激光系統(tǒng)，它的主要目標是要大幅降低光纖放大器系統(tǒng)的功率密度，同時提高單個光纖放大器的輸出功率。林肯實驗室研發(fā)的是分孔徑相干合成技術(shù)，它是激光相控陣的基礎(chǔ)。
2014年MIT/LL的FCL獲得了34 kW的功率輸出，系統(tǒng)的功率密度為40kg•kW-1，它采用了42單元的光學(xué)相控陣和1 kW的光纖放大器。
2015年MIT/LL將輸出功率提高到44 kW，并將光束質(zhì)量提升到近衍射極限，同時又演示了先進的101單元光學(xué)相控陣。它采用相位延遲法，通過調(diào)節(jié)一組相位調(diào)制器解決了光束同步的問題，產(chǎn)生了強大明亮的單光束。林肯實驗室還演示了2.5 kW的光纖放大器，大大提高了光纖放大器的輸出功率。
目前正在建造5 kg•kW-1的光纖放大器，將在2018年演示5 kg•kW-1的FCL 50 kW系統(tǒng)。
林肯實驗室的FCL裝置
問題及挑戰(zhàn)
現(xiàn)有高能激光系統(tǒng)受尺寸、重量和功耗的限制無法集成進許多作戰(zhàn)平臺，目前世界各國的研發(fā)重點是采用SSL作光源的戰(zhàn)術(shù)激光武器。美、德、以已演示過的幾臺激光武器樣機的功率為幾萬瓦，硬殺傷射程也就2-3 km。
要使激光武器更有效和更廣泛地用于戰(zhàn)場就必須增大射程。但對固體材料而言，難以滿足功率和光束質(zhì)量的要求，這是因為在固體增益介質(zhì)中產(chǎn)生的熱-光畸變會引起光束質(zhì)量下降, 從而限制了單孔徑的功率輸出。DPAL和FCL被認為很有前途，可作為高功率艦載、車載和機載激光武器的光源，它們也是當今世界上正在研發(fā)的唯一兩種兆瓦級激光器。但高功率DPAL仍面臨抽運源、窗口污染和光學(xué)基片與涂層的挑戰(zhàn)。而高功率FCL則面臨相干光束合成技術(shù)、緊湊型光纖放大器、光纖陣列發(fā)射體和光學(xué)基片與涂層的挑戰(zhàn)。
總之，激光無人機的設(shè)想很好，優(yōu)點眾多，但也面臨許多令人生畏的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)挑戰(zhàn)。就激光無人機而言存在著4項關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：激光功率、光束質(zhì)量、所用平臺和所需的助推段殺傷力。目前僅僅是實驗室的研究計劃，生存能力、長航時重負荷無人機的研制、兆瓦級激光器的功率定標、光束質(zhì)量和小型化等都存在不確定性。該計劃現(xiàn)在還處在論證可行性的階段,還必須從作戰(zhàn)、技術(shù)和經(jīng)濟等方面證明切實可行才有可能得到進一步的發(fā)展，最后實現(xiàn)部署。
論文信息：
任國光,伊煒偉,齊 予,黃吉金,屈長虹. 美國戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略無人機載激光武器[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2017, 54(10): 100002
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