安海霞，鄧 坤，閉治躍

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

高功率激光裝備小型化輕量化技術(shù)

安海霞，鄧 坤*，閉治躍

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

自激光器問(wèn)世以來(lái)，激光在各領(lǐng)域的需求和應(yīng)用非常廣泛，而隨著高功率激光裝備輸出功率不斷提高，重量與體積已成為制約高功率激光裝備應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于當(dāng)前高功率激光裝備仍將提高輸出功率作為其發(fā)展目標(biāo)，加之高功率激光裝備結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率低等特點(diǎn)，制約了高功率激光裝備小型化、輕量化的實(shí)現(xiàn)。本文在介紹高功率激光裝備的特點(diǎn)及其小型化、輕量化技術(shù)約束的基礎(chǔ)上，綜述了裝備常用小型化、輕量化技術(shù)應(yīng)用、新型高功率激光技術(shù)應(yīng)用、提高能量轉(zhuǎn)換效率及散熱效率等高功率激光裝備小型化、輕量化實(shí)現(xiàn)途徑，以及各種技術(shù)途徑在高功率激光裝備中已有的應(yīng)用。根據(jù)高功率激光裝備現(xiàn)狀及特點(diǎn)，其在小型化、輕量化方面具有很大的發(fā)展空間及應(yīng)用前景。

高功率激光裝備；小型化；輕量化

1 引 言

自1960年梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)[1]，激光因具有亮度極高、顏色單純、相干性強(qiáng)、方向性好及通過(guò)凸透鏡后能高度集中的特點(diǎn)在工業(yè)、醫(yī)療、信息科學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，高功率激光裝備在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用尤其有潛力[2]，同時(shí)很多高功率激光器的突破也來(lái)自軍事應(yīng)用需求。由于激光武器具有其他武器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，如無(wú)后坐力、單次發(fā)射成本、后勤保障費(fèi)用低等[3]。各國(guó)爭(zhēng)相研究將高功率激光技術(shù)應(yīng)用于軍事打擊與軍事防御，應(yīng)用平臺(tái)除了海基、地基外，還包括了陸軍的坦克、裝甲車，海軍的艦船、潛艇，空軍的轟炸機(jī)、無(wú)人機(jī)及殲擊機(jī)等眾多移動(dòng)平臺(tái)[4]。應(yīng)用于各平臺(tái)的高功率激光裝備經(jīng)過(guò)多年的研究與試驗(yàn)，部分已實(shí)現(xiàn)了工程化的應(yīng)用。

高功率激光器是高功率激光裝備的核心部件，具有輸出高功率、高光束質(zhì)量激光束的功能[5]，隨著激光技術(shù)飛速發(fā)展，激光輸出功率大幅提升。高功率激光器種類繁多，已實(shí)現(xiàn)高功率輸出的激光器包括二氧化碳激光器、HF/DF化學(xué)激光器、氧碘化學(xué)激光器、固體激光器、半導(dǎo)體泵浦堿金屬激光器、光纖激光器[6]等。而隨著激光輸出功率的提升，激光裝備的體積與重量也快速增長(zhǎng)，一方面限制了高功率激光裝備在移動(dòng)平臺(tái)上的搭載應(yīng)用，另一方面阻礙了高功率激光裝備總體性能的提高[7]。無(wú)法滿足平臺(tái)對(duì)裝備重量、體積的要求，已成為制約高功率激光裝備發(fā)展與工程化應(yīng)用的重要問(wèn)題之一。高功率激光裝備輸出功率及光束質(zhì)量的發(fā)展現(xiàn)已能滿足應(yīng)用要求，但重量和體積是決定其能否工程化應(yīng)用的重要因素，如何在保證激光裝備輸出功率及光束質(zhì)量的前提下，減少激光裝備的重量與尺寸，降低成本與能耗、擴(kuò)大應(yīng)用范圍，對(duì)高功率激光技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展具有重要意義。

小型化輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用目前主要集中在航天、航空、汽車等領(lǐng)域，并取得了顯著的效果[8]。高功率激光裝備作為一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)系統(tǒng)，由多個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，包含的零部件眾多，因此零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)合材料等輕型材料的使用等常用的小型化輕量化技術(shù)的應(yīng)用使高功率激光裝備小型化輕量化研究方面已取得了較多進(jìn)展，但自身的特點(diǎn)及約束決定了高功率激光裝備集成到移動(dòng)平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)成熟工程應(yīng)用，在其小型化輕量化方面仍需大量的研究與探討。

2 高功率激光裝備小型化輕量化約束及特點(diǎn)

2.1 約束

2.1.1 結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜

高功率激光裝備包含多個(gè)分系統(tǒng)：高功率激光器、總體控制分系統(tǒng)、光束控制與傳輸分系統(tǒng)和平臺(tái)與能源輔助分系統(tǒng)，如圖1所示。用以產(chǎn)生高功率高質(zhì)量光束的高功率激光器是其核心組成；平臺(tái)與能源輔助分系統(tǒng)具有機(jī)械支持連接，保證光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)精確跟瞄的功能，并為高能激光器及其他分系統(tǒng)提供電能及廢熱管理平臺(tái)，是高功率激光裝備正常工作的基礎(chǔ)和保障；光束控制與傳輸分系統(tǒng)包括光束凈化，傳輸校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)束、跟瞄、測(cè)距調(diào)焦等部分，是高質(zhì)量激光光束精確輸出的直接保證；總體控制分系統(tǒng)具有提供目標(biāo)引導(dǎo)信息、效應(yīng)評(píng)估及下達(dá)指令與控制功能，各分系統(tǒng)在總體控制分系統(tǒng)的管理下協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備的功能。

圖1 高功率激光裝備系統(tǒng)構(gòu)成 Fig.1 Components of a high-power laser equipment system

對(duì)于高功率激光裝備這樣一個(gè)龐雜的光機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，在設(shè)計(jì)、裝配的過(guò)程中，滿足各系統(tǒng)間集成要求的同時(shí)，需考慮各分系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)化。運(yùn)用一體化設(shè)計(jì)、布局優(yōu)化等小型化輕量化手段的過(guò)程中，還應(yīng)該考慮到各復(fù)雜分系統(tǒng)后期維護(hù)及故障排查的工作空間。許多高功率激光武器方案，由于具有平臺(tái)難以接受的系統(tǒng)尺寸和重量，限制了其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。圖2與圖3分別給出了機(jī)載激光武器系統(tǒng)及其激光發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，曾一度停止研制的機(jī)載激光武器在發(fā)展實(shí)施過(guò)程中遇到困難之一同樣是武器系統(tǒng)過(guò)重，新計(jì)劃中美軍仍將提高機(jī)載強(qiáng)激光武器系統(tǒng)效率和作戰(zhàn)距離，減少系統(tǒng)尺寸與重量作為努力的方向[9-10]。

圖2 機(jī)載激光武器系統(tǒng) Fig.2 Airborne laser weapon system

圖3 機(jī)載激光武器激光發(fā)射系統(tǒng) Fig.3 Emission system of the airborne laser weapon system

高功率激光裝備作為一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)系統(tǒng)，其高功率激光器、光束控制與傳輸系統(tǒng)中包含眾多光學(xué)器件。光學(xué)器件的尺寸及性能通常由出光功率及光束質(zhì)量等的要求確定，且由于光學(xué)元件對(duì)安裝位置、使用穩(wěn)定性等要求很高[11]，光學(xué)器件的設(shè)計(jì)更多是滿足并提高光學(xué)元件的各項(xiàng)性能，從而限制了小型化輕量化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

2.1.2 能量轉(zhuǎn)換效率低

激光系統(tǒng)由于能量轉(zhuǎn)換效率普遍較低，能源及散熱問(wèn)題成為導(dǎo)致系統(tǒng)體積重量龐大的原因之一。表1中給出了用于艦載激光武器的各固體激光器的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率[12-14]，雖然相較于化學(xué)激光器與氣體激光器，固體激光器具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但由于其轉(zhuǎn)換效率限制，工作產(chǎn)生廢熱多，造成冷卻系統(tǒng)卻十分笨重，導(dǎo)致固體激光器在集成到飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)時(shí)仍存在很多困難。

表1 艦載激光系統(tǒng)固體激光器參數(shù)

液體激光器及化學(xué)激光器冷卻系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，體積重量較小，但其能源及燃料供應(yīng)系統(tǒng)卻具有龐大的體積重量。

另外，高功率激光裝備結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能夠滿足出光功率及出光質(zhì)量要求的激光系統(tǒng)，但在裝配、集成進(jìn)移動(dòng)平臺(tái)方面存在較大困難，同樣也是制約其小型化輕量化的一個(gè)重要因素。

2.1.3 特點(diǎn)

由于現(xiàn)階段高功率激光裝備發(fā)展重點(diǎn)仍多是提高激光器輸出功率及光束質(zhì)量，對(duì)高功率激光裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不多，因此裝備常用小型化輕量化手段，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化及材料優(yōu)化等技術(shù)手段在實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備小型化輕量化方面具有很大潛力。

高功率激光裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含零部件眾多，各分系統(tǒng)及其部組件間的連接在激光裝備重量中占有較大比例，通過(guò)輕量化工藝技術(shù)及模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等輕量化手段，以及重心、整體布局合理配置等小型化手段的應(yīng)用，可有效地實(shí)現(xiàn)小型化與輕量化。

在利用上述手段進(jìn)行現(xiàn)有激光系統(tǒng)小型化輕量化的同時(shí)，探索發(fā)展新技術(shù)，設(shè)計(jì)制造更小、更輕的激光器、提高激光系統(tǒng)能量效率、提升冷卻系統(tǒng)性能等對(duì)高功率激光裝備尤為重要。

3 高功率激光裝備小型化輕量化技術(shù)

3.1 裝備常用小型化輕量化技術(shù)應(yīng)用

裝備常用小型化輕量化技術(shù)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、一體化設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)、輕型材料的匹配應(yīng)用及布局優(yōu)化等。長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用真空輔助凝膠注模和反應(yīng)燒結(jié)法等工藝制備了直徑分別為200 mm和500 mm的兩塊超輕量化SiC反射鏡[15]。通過(guò)這些技術(shù)手段在高功率激光裝備綜合應(yīng)用研究中采用理論計(jì)算、有限元、數(shù)值優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化等方法，應(yīng)用相關(guān)的優(yōu)化軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化，以達(dá)到小型化輕量化的目的。通過(guò)綜合考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料和工藝各要素，在零部件層面能有效實(shí)現(xiàn)小型化輕量化。長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主鏡厚度減薄20%，輕量化率80%[16]。Coleman B. Cobb等通過(guò)改造為高能激光系統(tǒng)供電的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，利用高溫超導(dǎo)電線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線圈，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的小型化與輕量化，有利于高功率激光系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)上的集成與應(yīng)用[17]；在總體布局層面，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，將各分系統(tǒng)內(nèi)各儀器設(shè)備盡量集中布置，分系統(tǒng)間有連接關(guān)系的設(shè)備靠近布置，有效降低分系統(tǒng)間設(shè)備連接件的體積與重量。

通過(guò)采用新的結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)或原有機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用，盡可能減少零部件數(shù)量，使結(jié)構(gòu)更緊湊，也是高功率激光裝備模塊小型化輕量化的重要手段。針對(duì)高功率激光裝備這一龐雜的系統(tǒng)，盡量使總體布局設(shè)計(jì)合理，分系統(tǒng)內(nèi)各儀器設(shè)備盡量集中布置，分系統(tǒng)間有連接關(guān)系的設(shè)備需靠近布置，以減少分系統(tǒng)間設(shè)備連接件的體積，降低整個(gè)系統(tǒng)中連接件重量。光機(jī)系統(tǒng)應(yīng)合理設(shè)計(jì)光束傳播路徑，使光路盡量簡(jiǎn)單、緊湊，減少光路傳輸及支承等結(jié)構(gòu)重量；同時(shí)，布局時(shí)進(jìn)行質(zhì)量特性的計(jì)算，將質(zhì)心配平到系統(tǒng)理論質(zhì)心，以減輕系統(tǒng)后期在質(zhì)量測(cè)試過(guò)程中配平質(zhì)心時(shí)所需配重塊的重量，從而有效降低系統(tǒng)的體積，從而實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備的小型化、輕量化。由于對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)及布局考慮不多，已有的高功率激光裝備大多體積比較龐大、構(gòu)型比較笨重，優(yōu)化空間很大。采用新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光路優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)小型化輕量化的一個(gè)手段，例如，在二極管泵浦激光器中通過(guò)采用如圖4所示的折疊或雙層疊加結(jié)構(gòu)，使用屋脊?fàn)罾忡R形成折疊腔，達(dá)到了結(jié)構(gòu)緊湊、小型化的目的[18-19]。

圖4 激光器系統(tǒng)原理圖 Fig.4 Schematic diagram of the lasers

根據(jù)不同應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行高功率激光裝備系統(tǒng)布局及整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，采用多功能結(jié)構(gòu)，既有利于平臺(tái)本身能力的發(fā)揮，也有利于激光裝備小型化輕量化發(fā)展。多功能結(jié)構(gòu)指不僅具備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)支撐和傳遞載荷的性能，還具有集成電、熱、提供能量等功能的作用。根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)，采用新方法新技術(shù)將光路及支架、連接電纜、機(jī)箱、熱控等集成為一體，最大限度的嵌入到結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，可以實(shí)現(xiàn)承受載荷、熱傳導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘11]，是實(shí)現(xiàn)小型化輕量化的有效方法。現(xiàn)有陸基與?；す馕淦鬏^多，雖然他們對(duì)激光武器重量、體積及外形的要求較寬松，但龐大的質(zhì)量與體積仍給平臺(tái)帶來(lái)了能源及強(qiáng)度各方面的壓力。邵明振等在高功率脈沖TEA二氧化碳光器中，利用環(huán)形流道式主機(jī)結(jié)構(gòu)代替筒形主機(jī)結(jié)構(gòu)[20]，如圖5所示，將氣體循環(huán)冷卻系統(tǒng)直接作為激光器工作腔使用，將儲(chǔ)能裝置放在氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的中空部位，通過(guò)采用這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能結(jié)構(gòu)合并及布局優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)了小型化與輕量化，體積、質(zhì)量分別減少了30%和40%，效果顯著。

圖5 環(huán)形通道式激光器主機(jī) Fig.5 Host of laser with cylindrical structure

3.2 新型高功率激光技術(shù)

圖6 高能激光系統(tǒng)(HEL) Fig.6 High Energy Laser(HEL)

圖7 高能激光機(jī)動(dòng)演示器(HELMD) Fig.7 High Energy Laser Mobile Demonstrator(HELMD)

探索新型高功率激光技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備小型化與輕量化有效途徑。早期高功率激光器應(yīng)用多是化學(xué)激光器：HF/DF化學(xué)激光器、氧碘化學(xué)激光器的輸出功率都達(dá)到了兆瓦水平，從美國(guó)“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃、彈道導(dǎo)彈防御計(jì)劃、機(jī)載激光武器到戰(zhàn)術(shù)高能激光武器，大部分研究與應(yīng)用都是利用化學(xué)激光器作為其高能激光源[21]。自由電子激光器作為有望達(dá)到兆瓦水平的高功率激光器，同樣存在體積重量過(guò)大的問(wèn)題，在軍事應(yīng)用方面多在對(duì)重量體積要求較低的海軍領(lǐng)域[22]。隨著二極管泵浦技術(shù)的提高，二極管泵浦固體激光器輸出功率大幅提高，超過(guò)了百千瓦水平，且因其用電驅(qū)動(dòng)，不需要體積龐大的化學(xué)能源和后勤保障，體積與重量大大低于化學(xué)激光器，尤其是其壽命長(zhǎng)、體積質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，因而在軍事領(lǐng)域發(fā)展迅速，在軍事應(yīng)用方面有很大潛力。如圖6所示為1996年美國(guó)與以色列聯(lián)合研制的高能激光武器采用了化學(xué)激光器，當(dāng)時(shí)需要8個(gè)集裝箱來(lái)裝載激光系統(tǒng)。圖7給出了波音公司研制的車載高能激光機(jī)動(dòng)演示器(HELMD)， 將模塊化的高能固體激光器安裝在“Oshkosh”裝甲車上，小型化、輕量化對(duì)比明顯，且有效實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用[23]。

近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)進(jìn)步，光纖激光器以其體積重量小、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)受到重視，成為固體激光器的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，2010年，單纖輸出功率達(dá)到了10 kW[24]。2013年，德國(guó)萊茵公司報(bào)道了50 kW的高能光纖武器演示系統(tǒng)[25]，而國(guó)內(nèi)武漢瑞科公司推出了10 kW的全光纖激光器[26]，光纖激光器在國(guó)內(nèi)外發(fā)展都很迅速，在軍事應(yīng)用方面具有很大的潛力[27]。

激光器的功率體積比和功率重量比是衡量其小型化輕量化的重要指標(biāo)，此方面化學(xué)激光器最差，光纖激光器和固體激光器。通過(guò)提高單纖輸出功率、光束合成技術(shù)等提高每千瓦輸出功率的結(jié)構(gòu)重量與尺寸，從而達(dá)到小型化輕量化的目的，但仍存在功率與體積重量比過(guò)大的問(wèn)題。二極管抽運(yùn)液體激光器系統(tǒng)綜合了固體激光器尺寸小和液體激光器熱管理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有重量輕、功率高的特點(diǎn)，已實(shí)現(xiàn)了比功率僅為5 kg/kW的目標(biāo)[7,28]，如圖8所示[29-30]。

圖8 高能液體激光器 Fig.8 High energy liquid-state laser

而通用原子公司完成了“第三代激光系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，該技術(shù)繼承自此前的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(HELLADS)，第三代激光系統(tǒng)采用了多項(xiàng)技術(shù)升級(jí)以改進(jìn)光束質(zhì)量，提高電光效率，并有效減小尺寸和重量。集成樣機(jī)非常緊湊，輸出功率為150 kW，尺寸僅有1.3 m×0.4 m×0.5 m，重量?jī)H為1 316 kg，如圖9和圖10分別給出了150 kW激光集成樣機(jī)及其75 kW模塊結(jié)構(gòu)。該激光系統(tǒng)能裝入通用原子公司的“復(fù)仇者”無(wú)人機(jī)的武器載荷艙中[31-32]，有效實(shí)現(xiàn)了激光器本身的小型化及輕量化及應(yīng)用。

圖9 150 kW激光集成樣機(jī) Fig.9 150 kW integrated laser prototype

圖10 75 kW激光模塊 Fig.10 75 kW laser module

提高激光器光束質(zhì)量也是高功率激光裝備小型化輕量化途徑之一。就激光武器來(lái)說(shuō)，很小的光束質(zhì)量提高就能帶來(lái)遠(yuǎn)距離目標(biāo)上光斑能量密度的顯著提升，對(duì)于以能量積累進(jìn)行目標(biāo)毀傷的激光武器，光束質(zhì)量高，消耗的能源和產(chǎn)生廢熱都會(huì)減少。而能源與散熱在高功率激光裝備重量與體積中所占比例較大，因此能有效實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備的小型化與輕量化。

3.3 提高能量轉(zhuǎn)換效率

提高激光器能量轉(zhuǎn)換效率能有效縮減激光器體積重量[6]。在保證輸出功率的前提下，提高激光器能量轉(zhuǎn)換效率，可大大減少能源部分重量，同時(shí)產(chǎn)生的廢熱會(huì)減少，廢熱管理部分的重量與尺寸也會(huì)大幅降低?；瘜W(xué)效率是氧碘化學(xué)激光器等化學(xué)激光器性能衡量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，表明能源中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為輸出激光的比例。由于化學(xué)反應(yīng)不充分、反應(yīng)物配比帶來(lái)的物質(zhì)損失及產(chǎn)生的激光在激光腔內(nèi)被吸收、散射、透射及衍射等產(chǎn)生的損失等，都降低了化學(xué)激光器的化學(xué)效率。要提高化學(xué)效率，就要減少各種能量損失，通過(guò)反應(yīng)過(guò)程控制、噴嘴等零部件設(shè)計(jì)來(lái)提高化學(xué)激光器能量轉(zhuǎn)換效率。美國(guó)通過(guò)利用重氫化合物取代過(guò)氧化氫燃料，在燃料中加入化學(xué)物質(zhì)，改進(jìn)燃料流速，提高激光器真空度的技術(shù)有效減輕了激光器器件的重量[33]。

半導(dǎo)體激光器及其陣列的進(jìn)展，推動(dòng)了具有高效率、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量的二極管泵浦固體激光器及固體激光器技術(shù)的發(fā)展，取代了傳統(tǒng)的弧光燈泵浦，極大地提升了激光器效率。在聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)計(jì)劃中，由諾斯羅普·格魯曼公司研制的電驅(qū)動(dòng)固體激光器雖實(shí)現(xiàn)了105 kW輸出，但激光器體積龐大，且效率只有20%，而提出的堅(jiān)固型電激光器倡議(RELI)項(xiàng)目旨在將效率提高到30%，并降低系統(tǒng)的重量與體積[34-35]。激光器輸出功率與激光頭上所耗電功率的比為電光效率，不僅是評(píng)價(jià)高功率激光器運(yùn)行成本的重要因子，而且是度量能耗及熱管理需要的重要指標(biāo)。提高二極管泵浦激光器電光效率的重要途徑包括激光腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高吸收效率、高量子效率的激光晶體的選擇應(yīng)用及采用光纖結(jié)構(gòu)的激光介質(zhì)等。美國(guó)洛克希德·馬丁公司開發(fā)的新型模塊化光纖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了40%[36]。

3.4 提高散熱效率

轉(zhuǎn)換效率低、廢熱多使熱管理問(wèn)題成為制約高功率激光裝備小型化輕量化的重要因素，尤其是固體激光器。激光器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與冷卻技術(shù)的綜合應(yīng)用是有效提高散熱效率的重要手段。以二極管泵浦固體激光器為例，激光介質(zhì)的幾何構(gòu)型對(duì)其散熱性能有較大的影響，棒式和板條式激光介質(zhì)因其尺寸限制存在比較嚴(yán)重的廢熱問(wèn)題；將介質(zhì)棒的長(zhǎng)度縮短到遠(yuǎn)小于其直徑而產(chǎn)生了薄片式激光介質(zhì)，不僅減小了熱效應(yīng)，且增大了散熱面積，可直接將薄片晶體固定在熱沉上進(jìn)行散熱；將介質(zhì)的直徑縮小、長(zhǎng)度增長(zhǎng)而產(chǎn)生的光纖結(jié)構(gòu)的激光介質(zhì)，可將廢熱由光纖結(jié)構(gòu)介質(zhì)側(cè)面排散。隨著冷卻理論與技術(shù)的發(fā)展，微通道液體對(duì)流換熱、固體冷卻、噴霧冷卻及微熱管冷卻等多種冷卻方式的發(fā)展[37]，冷卻系統(tǒng)的冷卻效率及整體性能不斷提升，為高功率激光裝備小型化與輕量化提供了基礎(chǔ)。楊曉濤[38]等設(shè)計(jì)了如圖11所示的側(cè)面抽運(yùn)風(fēng)冷Nd:YAG脈沖激光器，通過(guò)采用半導(dǎo)體熱電制冷配合風(fēng)扇的風(fēng)冷系統(tǒng)，省去了體積龐大的水冷系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了小型化輕量化。

圖11 抽運(yùn)模塊結(jié)構(gòu)圖 Fig.11 Structure of pumping module

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著高功率激光裝備的不斷發(fā)展及應(yīng)用平臺(tái)范圍的不斷擴(kuò)大，高功率激光裝備在各領(lǐng)域的需求與應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其輸出功率也提出了更高的要求。而隨著高功率激光裝備輸出功率的不斷提高，重量、體積已成為制約高功率激光裝備發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題之一，甚至成為導(dǎo)致高功率激光裝備無(wú)法在某些機(jī)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用的直接原因，發(fā)展高功率激光裝備小型化輕量化已是大勢(shì)所趨。

高功率激光裝備作為復(fù)雜的光機(jī)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)功能繁雜，包含了多個(gè)分系統(tǒng)及眾多的光學(xué)零部件。激光系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低的特點(diǎn)使能源及熱管理分系統(tǒng)重量與體積增加，導(dǎo)致了高功率激光裝備質(zhì)量大、體積大，在裝配及集成進(jìn)移動(dòng)平臺(tái)方面存在較大困難，高功率激光裝備小型化、輕量化需求迫切。

現(xiàn)階段對(duì)高功率激光裝備小型化、輕量化考慮不多，因此具有很大優(yōu)化潛力與空間。無(wú)論是使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝優(yōu)化及輕型材料選用等通用的輕量化手段，還是采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型高功率激光技術(shù)及能量轉(zhuǎn)換效率提升等都是實(shí)現(xiàn)高功率激光裝備小型化、輕量化的重要途徑。

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Miniaturization and lightweight technology of high-power laser equipment

AN Hai-xia, DENG Kun*, BI Zhi-yue

(InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

Since the laser was invented, laser is widely demanded and applied in various fields. With the in creasement of the lasers′ output power, the heavy weight and huge volume has become one of the restrictions for the development of high-power laser system. Because of the requirement for high power output, the complicated structure and low energy conversion efficiency, it is difficult for high-power laser systems to realize the miniaturization and lightweight. Features of high-power laser system and the restrictions in miniaturization and lightweight are introduced in this paper. On the basis of this, approaches such as application of miniaturization and lightweight technology for common equipment, new high-power laser technologies, methods to improve energy conversion efficiency and heat radiation efficiency which can match the characteristics of the high-power laser system as well as their use in high-power laser systems are reviewed. According to the characteristics and development situation of high-power laser system, these technologies have great potential in reducing the weight and volume efficiently.

high-power laser equipment;miniaturization;lightweight

2017-01-11；

2017-03-13

2095-1531(2017)03-0321-10

TH745

A

10.3788/CO.20171003.0321

安海霞(1989—)，女，甘肅臨夏人，碩士，助理工程師，主要從事光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究。E-mail:ahxbuaa@126.com

鄧 坤(1987—)，男，四川南充人，碩士，助理工程師，主要從事系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等方面的研究。E-mail:414dengk@caep.cn

*Correspondingauthor,E-mail:414dengk@caep.cn