美国高能激光定标放大计划进展分析

高能激光器性能直接决定了激光定向能的毁伤能力和打击射程,为此美国相继启动多项计划,以研制出高功率、高效、紧凑、轻量化,用于战场的坚固型激光器。2019年,启动了激光器定标放大计划(high energy laser scaling initiative,HELSI),制定出最新的国家级激光放大路线图。首先介绍美国HELSI计划的启动背景、研究内容和实施阶段,其次分析HELSI计划第一阶段300 kW的研究进展,最后评述HELSI计划进展的后续影响。综合分析可知,目前洛·马公司的光谱合成光纤激光器技术在第一阶段率先胜出,不仅获得陆军300 kW作战光源的订单,而且还首先获得HELSI计划第二阶段500 kW的研制合同;HELSI计划的进展,使导弹防御局(missile defense agency,MDA)重新重视用于拦截助推段弹道导弹的定向能武器;HELSI计划支持了4种技术路线进行竞争发展,不过未来何种技术路线会最终胜出并部署在战场上,还需要加强先期论证,突破“技术迷雾”。

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响,推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系,模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明:对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器,为了保证10-6的测量精度,腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器,可以提高测量精度。

探测器孔径大小对衰荡腔测量精度的影响

为了研究光腔衰荡光谱法的反射率测量精度 ,分析了腔长失调对衰荡腔模式影响。在此基础上 ,根据高斯光束空间传输表达式 ,推导了在一定腔长失调条件下 ,探测器孔径与衰荡脉冲信号的关系式。并利用数值模拟 ,分析了衰荡腔测量精度与探测器孔径大小的关系。结果表明 ,探测器孔径越大 ,测量的相对误差越小。

舰载激光武器的研制进展

美国海军激光武器系统(La WS)作为第1套海军的固体激光武器样机,已经安装在现役军舰庞塞号上。介绍了La WS系统的应用需求、研制团队及系统结构,分析了激光器、发射装置及控制系统的构成,并由系统参量评估了La WS系统的作战性能。回顾了La WS系统已进行的系列演示试验,总结了每次试验暴露的技术问题及采取解决途径。由分析可知,La WS系统的发射装置采用了天文望远镜的共孔径设计方式;作战光源采用了光纤激光器的非相干合成;在系统集成中,除了少量的定制部件外,广泛采用了工业激光器、惯性测量装置、传感器、视频跟踪器等大量商用器件;La WS系统在研制中采用了逐步改进的方式,这些都在一定程度上减少了系统风险和研制成本。最后分析了其下一步的技术发展方向。

云层背景中目标的相关识别

针对云层中目标的识别问题 ,以计算机模拟光学相关运算给出了识别结果。当目标亮度一定时 ,在输入场景和匹配滤波器有无边缘检测的几种情况下 ,研究了背景强弱变化对目标识别性能的影响。结果显示 ,当背景强度较弱时 ,输入场景与匹配滤波器进行光学相关运算就可以找出目标位置 ;当背景强度较强时 ,输入场景的边缘检测是提高云层中目标识别率的关键 。

衰荡腔测量中的腔参数选择

基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0. 73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高。

矩形光束合成的建模与实验验证

光束合成是高功率固体激光器进一步发展的必由途径。板条的激光介质产生的矩形光束通过阵列合成能实现较高的近场光斑填充因子,有利于提高远场光束的能量集中度,从而获得更好的光束质量。根据激光器远场光束的测量方式,利用光束传输变换规律,建立矩形光斑双束合成的理论模型。通过数值模拟,在相干、非相干条件等典型情况下得到的子束合成不同远场的光斑图形,与相同条件下诺.格公司给出的实验结果一致,从而验证了理论模型的正确性。为进一步分析子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差对矩形光束合成的影响奠定了基础。

大口径元件反射率的镜面扫描精密测量系统

为了测量高功率激光传输系统中大口径高反射率元件,研制了一种镜面扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理,分析了影响系统测量精度的因素,理论上估算的测量精度为2×10-5。在直腔下对该系统的性能进行了实验测试,分析表明,系统的测量不确定度优于2.052 28×10-5,最大测量误差为3.554 04×10-5,与理论预计结果吻合较好。对大口径元件进行的多次实验扫描测试,结果显示,镀膜加工误差导致反射率分布是关于镜面中心呈旋转对称。该系统的使用大大简化了元件表面反射率分布的测量。

衰荡光腔中腔镜倾斜分析

分析了衰荡腔中腔镜倾斜产生的腔长失调和单程损耗因子变化,根据失调腔矩阵分析方法并参照实验参数,建立了腔镜角度失调下反射率测量的理论模型。利用该模型,模拟了不同腔镜倾斜量下的衰荡信号波形,分析了波形变化的原因,研究了测量精度与腔镜倾斜量的关系。分析表明,腔镜微小倾斜产生的衍射损耗的变化可以忽略,但导致的腔长变化和衰荡光斑漂移,会限制测量的精度。将衰荡波形的变化用于腔镜角度的精确调节中,可以提高该测量精度。

美国运输机机载激光系统研制进展

美国运输机机载高能激光(AHEL)系统是下一代武器,能够在复杂环境中实施精确地隐秘打击。第1套实战化的机载激光武器,将在2022年进行演示试验。首先介绍了AHEL系统的应用需求、研制计划,并分析了系统结构和面临的技术挑战。其次梳理了AHEL系统的研制进展,并由系统参量评估了AHEL系统的作战性能。综合分析可知,AHEL系统采用最佳组件,通过快速原型方法,实现了激光武器系统在AC-130J飞机上的集成,并借鉴了以往机载激光计划的经验教训,降低研制风险。最后分析了其下一步的技术发展方向。

子束排列方式对固体激光器光束合成特性的影响

建立了固体激光器矩形光斑光束合成的理论模型,对诺.格公司给出的2束、4束、8束合成实验结果进行分析,并通过数值模拟,得到了不同子束排列方式下合成光斑的远场图形。通过仿真模拟可以得出:排列结构影响远场光斑的形状;子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少。采用环围能量进行分析,研究了远场光斑中主瓣能量随激光阵列占空比的变化。结果显示,远场光束环围功率随子束间距的增大而逐渐下降,而且参与相干合成子束越多,下降越大。

不同云层背景中目标的识别

针对云层中目标的识别问题 ,选择Sobel算子对输入图像进行了边缘检测 ,并以计算机模拟光学相关运算给出了识别结果。结果显示 ,在积状云和层状云背景中的目标识别较容易 ,在波状云中的目标识别较难。背景强度较强 ,目标亮度过强或过弱 ,或采集器件等因素导致图像中输入图像模糊 ,也会影响目标的识别率。另外 ,强目标相关峰比较尖锐 。

通用原子公司高能激光器研制进展

通用原子(航空系统)公司高能激光器得到了高能液体激光区域防御系统(HELLADS)计划的经费支持,目前已发展到第3代系统,并通过了美国政府验收。首先对HELLADS计划相关信息进行了梳理,分析了其产生背景、研制阶段、支持经费和相关技术进展。其次详细研究了通用原子公司高能激光器的系统结构、技术路线、抽运方式、技术特点和性能指标。通过综合分析可知,通用原子公司第3代高能激光器模块采用紧凑的锂离子电池提供电力,输出功率为75kW,光束质量β<2,电光效率接近30%,模块尺寸为1.3m×0.4m×0.5m,重量/功率比为4kg/kW,持续运行时间超过30s,适合于安装在各种小型战术平台上。最后评述了该激光器输出功率定标放大的技术途径,探讨了其后续发展方向。

超高反射率测量系统的精密调试

在高反射率的精确测量中,光腔衰荡系统的调节直接影响反射率测量结果的精度。介绍了大口径超高反射率测量系统的结构及其工作原理,讨论了影响系统测量精度的因素,理论上估算的测量精度为9.1×10-6。在直腔下对该系统的性能进行了实验调试,根据衰荡波形的峰值包络线的变化趋势来调节衰荡腔的腔长;根据衰荡波形中相邻奇、偶次脉冲幅值的大小对比调节衰荡光腔的腔镜角度。实验测试结果表明,系统的测量不确定度优于7×10-6,最大测量误差为1.3×10-5,与理论上预计误差在数量级上一致。

工件面形的精确测量仿真

对于高精度加工,工件的微小面形偏差的精确测量非常重要。比较了微小面形的两类光学测量仪器,重点介绍了瞬态干涉测量方法。分析了干涉测试中相位展开方式,并将其应用于工件面形的测量中,用单张干涉图实现干涉波前的恢复,获取工件的面形信息。利用GLAD软件进行仿真,模拟了干涉仪对工件面形测量得到的波面干涉条纹图,并利用相位展开方法,读入干涉图样,进行工件的面形重构,获得了初步的仿真测量结果。对比了波面重构前后的工件面形,分析了重构面形失真的原因。

阵列透镜测量仪的设计与应用分析

为了解决500mm以上大口径光束波前的实时测量问题,设计了一种波前测量系统,即透镜阵列测量仪,其最大优点是避免了现有的H-S波前传感器所面临的大口径缩束器的加工难题。介绍了该测量系统的组成结构及其测量原理,分析了测量系统在设计中的参数选择,并根据具体的系统参数讨论了测量系统的检测性能。在此基础上,利用数值模拟对1200mm口径光束进行了波前测量的仿真实验研究,分析了测量过程中系统标定对透镜阵列测量仪的作用。仿真实验表明,透镜阵列测量仪能够实现大口径光束的波前探测。

任意球面元件的超高反射率测量方法

为了实现任意球面元件的超高反射率测量,提出直腔和折叠腔两种光腔结构,以实现0°,10°,15°和30°等不同角度下球面元件的超高反射率测量。详细分析了这两种测量方式,根据光束传输变换公式,推导了任意球面元件在测量中引入的衰荡光腔物理腔长的变化,得到了实验测量中腔长调节指导。并根据光腔衰荡法原理,推导了球面元件在超高反射率测量中的通用数学表达式,对测量公式进行了讨论,分析结果扩展了光腔衰荡法在元件超高反射率测量的使用范围。

适用于光化学反应的CO激光器单纵模复合腔研究

给出了一种含有闪耀光栅的CO激光器主副腔结构 ,系统分析了其纵模选择方式 ,并通过数值模拟 ,研究了主、副腔功率随反应池插入损耗变化的规律。分析表明 ,该主副腔适宜光化学反应。

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径。建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性。通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和x方向半径大小;偏振态差异决定了合成光束是否为相干合成或强度叠加;子束随机像差降低了合成光束的远场光斑峰值功率,并引起光束的弥散。分析结论对激光器研制中合理分配设计容差具有一定指导意义。

多程环形腔小孔耦合输出模式的理论分析

利用多元件腔的衍射积分方程及光学ABCD定律 ,得出了多程环形腔小孔耦合输出模式的相关计算公式 .理论分析和迭代法数值计算表明 ,低阶贝塞尔光束是适合多程环形腔的稳定模式 ;