美国海军舰载激光武器研发进展与趋势

中国光学期刊网1引言
激光制导炸弹作为一种精确制导的导弹武器，自
20世纪60年代中期开始发展以来，就对水面舰艇构
成了前所未有的威胁，
如法国的“飞鱼”、美国的“鱼叉”等，这类导弹可由飞机、水面舰艇或潜艇运载和发
射，从各个方向实施快速攻击。

导弹体积小、翼展短、隐蔽性好、飞行高度低、
速度快、威力大、命中率高。

反舰导弹已成为当今海战的主要攻击武器，
并在多次海战中显示了威力。

另一方面，反导武器系统也在不断完善，各种新型反导系统不断出现，但迄今没有一种系统能100%地拦截现有的反舰导弹。

目前，导弹与反导导弹正在不断地相互推进发展，但总的趋势是新型反舰导弹越来越先进，具有掠海飞行、末端机动、难于探测等特点，对舰艇生存构成了严重威胁。

而现
有的各美国海军舰载激光武器研发进展与趋势
Developments and Trends of US Naval Shipborne Laser Weapons
摘
要
详细评述了美国海军最新舰载高能激光武器的项目、
技术、子系统和演示样机的进展情况，其中三种激光器是获得中高能量输出的基本途径:非相干叠加的光纤激光器、固体板条激光器、自由电子激光器。

基于电力的光纤激光器和固体激光器，通过改善效率和功率水平，已经使其在飞机、地面车辆以及舰船上具有便携式战术应用。

自由电子激光器具有可能的高功率、高光束质量、优良的效率、变频便捷性，提供防御高机动性、
低空飞行、超音速导弹的保证。

对激光武器的作战任务领域和能力进行了总结。

关键词舰载激光武器；非相干组束；光纤激光器；板条激光器；自由电子激光器
Abstract The latest status of USA naval shipborne high-energy laser programs including technology,subsystem
and prototype demonstrations,is assessed in detail.There are three fundamental approaches to high-and medium -power laser energy:incoherent beam -combining fiber lasers,solid -state slab lasers and free electron lasers.Electrically based solid -state and fiber lasers with improved efficiency and power levels have enabled transportable tactical applications on aircraft,ground vehicles,and ships.Free electron lasers,with the promise of high power,high -beam quality,high efficiency,and frequency agility offer the promise of defense against high -maneuverability,low -flying supersonic missiles.A range of potential laser engagement mission areas and capabilities is summarized.
Key words shipborne laser weapon;incoherent beam-combining;fiber laser;slab laser;free electron laser 中图分类号TJ953
doi ：
10.3788/LOP20094612.0027
激光与光电子学进展2009.12
表1美国海军研究局定向能武器研发规划图
种舰载反导系统又不能完全满足海战要求，因而，寻求
新的防空手段迫在眉睫，舰载激光武器应运而生。

2美国海军局舰载激光武器研发概况
世界上第一台激光器诞生以来，
美国就开始着手研发军事用途的激光武器。

美国在战术高能激光武器，尤其是在舰载高能激光武器领域，研究成果相当丰硕，在多项关键技术方面取得了突破。

使各类武器装置和结构失效所需的激光功率和相应的费用曲线如图1所示[1]。

高能激光武器的优点是光速响应、
结果精确、有限的间接损伤、
深库存以及每次射杀成本低等。

高能激光武器对加速阶段导弹防御和舰船的自我防御的潜在用
途现在可以用中低功率激光器实现补充。

美国海军舰载高能激光武器研制可追溯到20世
纪70年代初。

1977年，美国海军着手研制中波红外高级化学激光武器（MIRACL ），其中的主要部件包括氟
化氘（DF ）中波红外化学激光器（功率2.2伊103kW ）和“海石”光束定向仪（孔径1.8m ）。

经3年时间组装起来的MIRACL 高能激光武器于1987~1989年间，在白
沙激光武器试验靶场进行了一系列打靶试验，其中包
括摧毁一枚飞行中的2.2Ma 的“旺达尔人”导弹的试验。

冷战结束后，美海军作战重点从远洋转移到沿海区域，作战环境发生了巨大变化。

美海军认为，MIRACL 高能激光器的3.8μm 波长激光在沿海环境下热晕效应较严重，应该找到一种热晕效应较小的波长代替它。

因此，美
海军于20世纪90年代中期宣布放弃进一步执行MIRACL 计划，而重新启动一项高能自由电子激光武器计划，即立刻提出进一步研制舰载高能激光武器的新计划。

这项新计划的重要一步是重新选定适合于在沿海环境下使用的最佳波长。

经过研究，美海军得出结论：认为1.6μm 和1.05μm 激光比
较适合于在沿海环境下使用。

由于1.6μm 处于人眼安全波长范围内并具有在不同大气条件下性能稳定等特点，因此最终倾向于选择1.6μm 波长为适于沿海环境下的最佳波长。

表1给出了美国海军研究局定向能武器2025年研发远景[2~4]。

海军比较重视的两类激光器是光纤激
图1摧毁传感器及结构性损伤所要求的激光功率和
费用曲线
中国光学期刊网光器和自由电子激光器。

尤其是光纤激光器，被认为中短期可以实现实用化。

美国海军同时关注机载激光武器和舰载激光武器的研制。

研发自由电子激光器的基础是坚实的，但是在好几个部门正在研发的激光技术中，它并不是排在第一位。

3光纤激光武器
激光组束技术可以提高激光的靶面功率，并且远高于单根光纤激光器的功率。

高功率光纤激光器的非相干叠加与其他组束方法相比具有很多优点，避免了相干组束的复杂性，可以获得紧凑、耐用、低维护、长寿命的高能激光系统。

美国海军研究实验室（NRL ）使用光束定向器把4根光纤产生的激光传输到1.2km 远、直径为10cm 的靶面上，
获得功率2.8kW ，非相干组束的传播效率超过90%，他们下一步的实验是把总功
率为6.2kW 的激光传输到3.2km 远的靶面上[5，6]。

高光束质量和高效率使得光纤激光器成为高能激光应用的理想候选。

2005年，美国阿帕奇（IPG ）公司就获得单根光纤输出功率1.96kW ，光束质量M 2=1.2的单模激光运转。

一台IPG 公司的1kW 单模光纤激光器，除电源外，体积是60cm ×33cm ×5cm ，质量9kg ，总光电效率大约30%，运转寿命超过104h [7]。

IPG 光子公司于2007年8月27日宣布获得美国海军一项380万美元的合同，
为海军水面作战中心提供44套千瓦级光纤激光器系统。

合同要求公司在2007年9月至12月期间先为美国海军交付8部商用的5.5kW 光纤激光器。

IPG 公司是唯一一家能够按要求最大数量生产所需输出功率的公司[8]。

美国QPC 激光器公司2007年10月29日宣布获得75万美元的合同，为一位美国国防客户交付用于定向能武器的高功率光纤激光抽运设备[9]。

为了获得单模运转，
光纤的芯径必须足够小。

例如，IPG 公司1kW 的光纤激光器芯径只有15μm 。

而10kW 和20kW 的多模光纤激光器的芯径为100μm 和200μm ，光束质量M 2从13到38。

M 2较高的高功率光纤激光器具有非常有限的传播距离。

诺·格公司（Northrop Grumman ）2008年10月5日报道，美国国防部高级技术研究计划局（DARPA ）选择诺·格公司为新
“革命性光纤激光器”（RIFL ）项目研发单频光纤激光放大器[10]。

RIFL 项目采用了与成熟的光纤激光器技术相同的技术路线，就像诺·格通过论证固体激光器获得美国军方和政府部门支持一样，
通过设计激光组束所需的激光器模块，把输出功率放大到武器级水平并保持好的光束质量。

光纤激光器效率是固体激光器的1.5~2倍，单位重量和体积可输出功率也较高。

光纤激光器技术所固有的高光束质量和效率使其比固体激光器技术更具发展前景。

诺·格公司在成功验证了模块化设计技术后，还将成功验证高功率单频光纤激光器运转和放大的能力。

RIFL 项目将使这项技术提升到武器级功率的水平。

诺·格公司此前已经通过把光束质量为1.1接近衍射极限的多根光纤激光放大器进行组束，使窄带光纤激光器的功率提升到400W 的水平。

图2是诺·格公司高能激光实验室中的一名工程师正在调整一台光纤激光放大器。

诺·格公司得到450万美元，为期15个月的第一阶段合同，并且具有460万美元为期18个月的第二阶段合同的选择权。

DARPA 合同的主要目的是：在为期15个月第一个阶段验证1kW 的单频光纤放大器，在为期18个月的第二个阶段验证3kW 输出功率。

单频光纤激光器和放大器现在由于受激布里渊散射（SBS ）效应的影响，造成反向功率反射以及低功率元件损伤，功率被限制在几百瓦量级。

诺·格公司将使用已经证明的专利方法来消除SBS 效应，达到项目要求的功率目标。

图3是美国海军研究实验室光纤激光器非相干组束的原理示意图，使用转向控制镜把每一条独立的光束都重叠在靶面上就可以实现光束的非相干叠加[6]。

图4给出了美国海军研究实验室光纤激光器非相干组束的实物照片。

照片中第一排是4个光纤耦合输出镜中的3个，
后排是4个独立的光束转向控制镜[6]。

由雷声（Raytheon ）公司研发的激光区域防御系统(LADS)，是建立在用于保护美国海军舰艇的密集阵近距防空系统之上的激光武器[11]。

美国圣地亚国家实验室2007年6月8日报道，密集阵定向能武器在圣地亚国家实验室爆炸装置测
图2诺·格公司的光纤激光放大
器
激光与光电子学进展2009.12
试。

实验表明，摧毁炮弹所需时间决定于爆炸材料、炮弹旋转速率以及照射到靶面的激光能量。

其中，核心问题是点火时间和对目标的毁伤程度[12]。

实验使用的密集阵系统用工业上用于焊接的连续波光纤激光器替换掉20mm 的格林机枪。

激光器由270kW 的柴油发电机供电。

激光由光纤传输到位于密集阵底座上的由雷声公司研发的光束指向器上面。

炮弹放置在距离密集阵底座457.2m 远的支架上。

光束定向器由一系列镜片组成，把光束定位聚焦到炮弹靶面以便在靶面获得所需的光束直径。

把光束定位到炮弹以后，炸药被有效地加热以使其完全破坏并使炸药燃烧。

美国《航宇日报与防御报告》2007年10月15日报道，雷声公司演示了一种功率为20kW ，采用现有成熟技术制造的激光武器原型机[13]。

这次试验的激光器是将40台功率为500W 的固体光纤激光器集中在一起，并没采用昂贵的光束控制设备。

该型激光器可以产生直径约10cm （棒球大小）的光束，能够在时速为80节的大风中引爆500m 外的60mm 迫击炮弹。

雷声公司计划在今后进一步集中数量更多和功率更大的激光器，从而使系统的有效作用距离能达到数千米甚至更远。

雷声公司为下一步试验制订一项为期9个月的
计划，在这期间将研制一种激光区域防御系统，这种系统将被用来近距离防御诸如迫击炮、其他常规火炮、漂浮水雷、集群小艇、无制导火箭弹及无人机等武器的袭击。

雷声公司希望将LADS 作为更大规模的低成本防空系统的组成部分，该系统内还将包括“密集阵（Phalanx ）”防空速射火炮、“警惕之鹰（Vigilant
Eagle ）”反导高能微波武器系统以及“主动拒止（Active Denial ）”杀伤人员高能微波武器等各种武器系统。

今后将激光器改装到“密集阵”防空系统上，LADS 的成本将会下降。

雷声公司希望该系统将来能
应用到舰艇、
地面武器、军用飞机上，并进一步用于人口聚居中心、港口和公共场所等民用目标的防护[13]。

雷声公司的激光密集阵系统照片如图5所示[14]。

在密集阵底座上的是具有光束指示器的光纤激光器。

LADS 系统的主要组件包括密集阵底座、传感器、相关的高级梯形命令控制火控网络、商用光纤激光器以及光束控制系统[15]。

4固体激光武器
大面积半导体激光器阵列技术的不断发展，极大促进了大功率固体板条激光器面抽运技术的应用。

这不仅使抽运光耦合系统简化，
更重要的是板条激光器在厚度方向由于对抽运光吸收不均匀（假设抽运光辐照是均匀的）所造成的纵向温度梯度不会形成透镜效应；而在横向方向的不均匀是由于半导体激光阵列表面发光不均匀性引起的，其不均匀度小于10%，由于板条激光器面抽运所产生的横向温度梯度较小，介质
图4美国海军研究实验室光纤激光器非相干
组束
装置
图3美国海军研究实验室光纤激光器非相干
组束的原理示意
图
图5雷声公司研制的“激光区域防御系统”
装置
中国光学期刊网热透镜效应也较小，这种抽运方式很适合于作为高功率固体激光器的抽运结构。

图6是达信公司（Textron ）“薄Z 字形”（ThinZag ）高能固体激光器的单板条设计示意图。

达信公司“薄Z 字形”高能固体激光器的单板条设计，显示了一块Nd:YAG 陶瓷板条（绿色）如何安置在一对石英窗口之间。

右边的顶视图显示的是Z 字形全内反射激光束如何从整个Nd:YAG 板条中提取能量。

左图给出的是板条和激光束的平面图。

完整的激光模块包括两个这样背对背的板条，
使用折射率匹配的冷却液在其间以及板条之间流动[16]。

图7是诺·格公司的“灶神”（Vesta ）激光器的一个增益模块的实物照片。

4个这样的串联模块构成一个放大器。

放大器并联排列并由一个主振荡器抽运[17~19]。

达信公司2008年12月3日宣布与DARPA 签订了一份其他交易协议（OTA ），根据协议，美国政府将资助该公司2100万美元用来设计、制造和测试150kW 激光武器系统（LWS ）的一个单元元件模块，并开发150kW LWS 的关键设计[20]。

此项目得到达信系统公司高级方案中心的支持，并将在该中心“薄Z 字形”陶瓷固体激光器专利技术和此前一项公司资助的概念设计的基础上进行开发。

DARPA 对LWS 的重量、体积、光束质量和运行时间
等提出了苛刻要求，以便将其安装在高能液体激光器区域防御系统（HELLADS ）计划的武器平台上。

联合高功率固体激光器（JHPSSL ）项目是美国多军种联合资助的研发项目，除国防部外，美国陆军、空军和海军均参加了该项目。

JHPSSL 系统用于促进固体激光器技术在军事上的应用，
包括提供军队防护和基于空中、水上和地面平台上完成精确打击任务[21]。

参加此项目最初包括利弗莫尔实验室、诺·格公司和雷声公司3家单位，在第二阶段只有诺·格公司胜出。

诺·格公司以其激光链（LC ）技术在此项目中获得巨大成功。

在第三阶段达信公司另辟蹊径，成功加入角逐，但其研究进展目前还没有公开报道。

诺·格公司的设计采用了主控振荡器-功率放大器（MOPA ）结构，如图8所示。

它采用单个主振荡器抽运并联的功率放大器，每个功率放大器链路包括串联4个二极管抽运的Z 字形Nd:YAG 板条，能产生12.5kW 平均功率。

对Z 字形板条来说，由于在激光介质中心面上的热分布是对称的，所以激光介质表面的平均热应力为零；
同时由于激光在介质中走的是Z 字形光路，所以在波阵面上每一点所经受的温度梯度都相同。

从放大器输出的光束在输出口呈贴瓷砖状分布，由自适应光学调整其波前以获得高功率。

定标
放大通过添加平行的放大器链实现[22，23]。

诺·格公司的
JHPSSL 激光器由8条激光链组成，其中每条激光链包含有4个激光模块。

每条激光链相当于是小型的功率为15kW 的固体激光器，8条激光链组成的系统功率可达100kW 。

这种可升级方法可增加尽可能多的激光链以获得更高功率。

诺·格公司的激光链实物照片如图9所示[24~26]。

图8诺·格公司的板条激光器使用单主振荡器
抽运平行放置功率放大
器
图6达信公司“薄Z 字形”高能固体激光器的
单板条设计示意
图
图7诺·格公司的“灶神”
激光器
的一个增益模块
激光与光电子学进展2009.12
为了实现第二阶段平均功率25kW 的目标，激光器采用两个放大链路并联工作，再把它们的输出送进两个相邻的孔径。

通过诺·格公司具有专利权的光束合成技术，对每个放大链路进行锁相，将两束光相干合成为一束光。

他们在每个输出孔径处，利用自适应光学对每个放大链路调整主振荡器的输入相位，以保持所有放大链路的输出同相，从而获得高的输出功率。

因此诺·格公司的激光器属于利用光束合成的多孔径激光器。

下面总结一下诺·格公司JHPSSL 的技术节点[21]。

阶段1（2002年），诺·格公司提出了同时获得高功率和高光束质量激光的技术需求。

阶段2（2005年），诺·格公司使用2条激光链将功率提高到25kW ，充分显示了最终实现100kW 或更高功率的可能。

阶段3（2007年2月），第一个演示里程碑。

激光链的第一个模块功率超过3.9kW ，光电效率为20.6%，工作时间为500s ，满足了所有演示需求。

JHPSSL 团队进入激光链集成和试验阶段，每条激光链由4个增益模块组成。

阶段4（2007年12月20日），第二个演示里程碑。

LC1成功演示，满足了所有的目标需求。

这比既定日期提前了2天。

每条激光链的功率达到15.3kW ，超过了既定的12.7kW 目标；垂直光束质量为1.58倍衍射极限，超过了既定的2.0目标；开启时间为0.8s ，低于既定目标1.0s ；LC1的运行时间超过300s ，大大超过了目标时间200s ；光电效能为19.5%。

2008年，JHPSSL 团队组装和测试了LC2，并与LC1集成。

作为下一个重要里程碑，对两条激光链的对准和相位控制进行演示。

2008年9月2日，诺·格公司宣布他们在美国军方的JHPSSL 项目的第三阶段中取得了重大突破，对具有战略意义的激光能量和光束质量的验证时间超过了5min 。

该公司还宣布他们在高能固体激光器产
品测试中创造了一项新的工业记录，两个激光器连在一起产生了30kW 的功率。

这种激光器能够保持持续的高功率超过5min ，总时间超过40min ，完成光电转换效率超过19%[27,28]。

诺·格公司2008年11月13日宣布，已经研制成功可用于战场的坚固耐用的高能量固体火炮打击（FireStrike ）激光器。

它采用行可替换单元（LRU ）设
计，现准备接受订货[29]。

火炮打击激光器提供15kW 的战场可获激光功率，如果采用可组合的LRU 积木化模块，可以提供更高的功率，如图10所示。

这基于诺·格公司在多年研制JHPSSL 项目“灶神”和“灶神域”中的已获验证的激光组束结构技术。

火炮打击激光器根据军方要求进行坚固的设计，但也对寿命周期费用和可靠性进行充分考虑，并根据战场操作和简单更换的需要进行设计。

这是一个紧凑的电驱动激光器，其高功率输出、光束质量和运行时间满足攻击和防卫军事行动的需要。

它采用准确满足功率需求的特别研制的新型紧凑激光电源装配（LCSA ）设计。

结合先进电光和红外传感器，火炮打击激光器能够提供自我防护、精确打击和加强环境感知的能力。

火炮打击激光器是行替换系统设计，允许根据特殊打击任务和平台的需要，改变激光武器的输出功率。

诺·格公司认为火炮打击激光器将为未来激光武器系统奠定基础。

诺·格15kW 火炮打击激光器行可替换单元顶视图如图11所示。

火炮打击激光器规格如表2所示。

图11诺·格15kW 火炮打击激光器行可替换单元顶视
图
图10火炮打击激光器行可替换单元LRU
设计
图9诺·格公司的激光链装置
中国光学期刊网诺·格公司2009年3月18日宣布，在近期进行的JHPSSL 项目第三阶段的验证实验中，激光器样机输出功率超过100kW [30]。

图12是100kW 激光武器系统样机的外观照片。

该实验使用的是“激光放大链”技术，每个链路提供功率大约为15kW 的高质量光束。

7条激光链进行组束获得105.5kW 的单一光束。

这台7链JHPSSL 激光演示器运行时间超过5min ，电光效率19.3%，达到全功率的时间小于0.6s ，光束质量好于3.0。

激光器运转在100kW 以上的总时间已经超过了85min 。

诺·格公司研制的模块化JHPSSL 设计可以根据激光武器系统的不同用途，
直接为其提供任务所需的功率水平，其中包括空中、海上和地面平台的部队防御和精确打击等任务。

诺·格公司的这一成就非常重要，因为传统理论证明100kW 是高能激光器进入武器级功率水平的一个阈值。

事实上，很多军事用途使用25kW 或50kW 的激光武器就可以实现，
并且可以拥有很好的光束质量，诺·格公司的激光系统就可以达到这种效果。

美国军方表示，诺·格公司的这一成果表明，借助电力产生的激光束现在已能够在战场上摧毁目标。

在经过长达40余年的研制后，现在激光武器终于有可能用来装备作战飞机、坦克和军舰。

因此，
美军实际上已经拥有武器级别的电力固体激光器。

但是美军想要正式装备这种激光武器还要4年时间，而且还需要再投入1亿美元经费[31]。

美国陆军计划把这种100kW 功率的激光器送到白沙导弹靶场的高能激光系统测试设备进行实验。

这种100kW 激光器将与诺·格原有的“战术高能激光器”
化学激光炮的跟踪、指示和光学系统相结合。

本次测试以及明年主要检测其打击地面“静态”目标的能力。

到2011年，这套系统就可以有效击毁空中的迫击炮弹和火箭弹。

在此期间，研究人员致力于一项独立的陆军项目“高能激光技术演示器”，将所有的跟踪、指示和光学仪器集成到一辆重型卡车上。

到2012年，陆军将把诺·格的固体激光器安装到这辆卡车上进行测试。

到2013年，如果一切进行顺利，卡车就可以装备自己的激光炮。

该激光炮车的总费用预计在1亿美元左右。

从技术上讲，
这些项目并不困难，即使需要减小这种复杂机械的尺寸和重量。

困难的事情是这种机动激光炮的批量生产。

为获得支持最重要的事情就是降低成本。

生产一辆激光炮车的激光器及其相关设备需要花费4000万美元，而陆军希望每部激光炮的价格在1500~2000万美元。

当陆军研制激光炮车时，美国海军已经在研究用激光攻击海上目标。

美国海军最近已经启动“海上激光演示项目”。

目的是论证激光子系统技术可以实现防御小艇对较大战舰造成的威胁。

100kW 激光器是这些子系统中最好的备选方案。

工业界在演示高能固态激光技术领域所取得的进展引起了美国军方将该技术应用于武器系统方面的兴趣，尤其是诺·格公司的固体板条激光器技术。

海军可能最先通过JHPSSL 项目使用激光技术。

9·11事件后，美国库尔号驱逐舰在也门遭受攻击。

海军感兴趣的是一种反恐怖分子的兵力保护武器，
比如恐怖分子的小船驶近军舰。

据称，
最近的业务机会将来自海图12诺·
格公司的100kW 激光武器系统样
机功率15kW 激光
光束质量标
称1.5倍衍射极限
尺寸激光头12英寸×23英寸×40英寸（宽，深，高）电源9英寸×13英寸×30英寸运转时间连续，只要提供电力和冷却即时启动从零到满功率时间小于0.5s
安全性远程操控、用户连锁接入、内部安全传感器控制通用命令和控制（C2）系统和以太网接口低功率设置提供标称100W 对准光束重量每LRU 模块400磅
坚固程度
采用紧凑SSL 技术的LRU 坚固模块、机动性和战场操作设计
表2火炮打击激光器规格。