当前激光推进技术研究
当前激光推进技术研究中,通常采用YAG固体激光器(1.06μm)、自由电子激光器和TEA脉冲CO2激光器(10.6μm)作为光推进光源进行试验。
YAG固体激光器重复频率和峰值功率可以很高,但对于激光推进来说,其单脉冲能量和平均功率均较低。自由电子激光器虽然具备波长可调,功率和效率高等优点,但要获得高质量电子束,还有许多需要进一步完善的地方:如激光阴极、射频枪、高亮度电子储存环以及光学系统等。目前各国研制的自由电子激光器,虽然峰值功率高,但单脉冲能量小(J或mJ量级),平均功率低,重复频率也较低,不能达到远程激光推进的要求。
TEA脉冲CO2激光器技术成熟,结构简单,功率可达10kW量级,单脉冲能量可达0. 5~1kJ,重复频率为20~40Hz。TEA脉冲CO2激光器10.6μm波长激光用于地基激光推进,其大气透射率特性都具有较大优势,进行远距离传输时,激光功率损失最小。另外,在相同的加工精度下,CO2激光器的大口径光学元件更易于加工。因此,目前CO2激光器被美国、德国和俄罗斯等发达国家选作地基激光推进的首选激光器,其优点主要表现为:
①易于获得超高平均功率和峰值功率、高单脉冲能量;
②激光波长处于大气传输窗口,对大气变化不敏感;
③工作物质快速流动,不存在热透镜效应和破坏阈值;
④相关光学元件易于制造;
⑤运行成本低。
但TEA脉冲CO2激光器也存在明显缺点:
①CO2激光器输出激光质量较差,光束束腰半径和远场发散角较大,造成了对飞行器跟踪瞄准的困难增大,只能靠提高输出功率来增加燃料腔中的激光功率密度;
②电光转换效率低下,仅15%左右,能耗巨大;
③CO2激光器系统发热量较大,需要相应的冷却装置,由于热效应的存在,使得系统的稳定性不好;
④CO2激光器体积相对庞大,只能用于陆基。
由此,需要寻找更适合激光推进技术要求的激光光源替代CO2激光器。