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美国海军研究实验室(NRL)光学项目研究进展(节选)

发布时间: 2015-12-18 11:04:22   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)因爱迪生的鼓励而于1923年在华盛顿成立,他在1915年《纽约时报》中提到“政府应维持一个巨大的研究实验室……可在无需庞大开支下发展所有军事和海军技术。”现在NRL 已成为一所服务于美国海军的世界级研究机构,其使命赋予它两个巨大的优势:1、与其它隶属于国防部和联邦政府的研究室不同,NRL是一个跨学科领域的研究所,汇集了等离子体物理、雷达、生物分子工程等多个领域的专家,从而使得NRL在面对研究挑战时可以发现意外的跨学科解决方案;这些解决方案常为NRL的其它科学研究揭开面纱。2、大多数组织和研究人员在许多情况下进行基础研究的同时完成目标明确的海军及国防部项目。二者的结合促使NRL的研究人员认识到自已所做的基础研究和应用需求间的联系,而这通常需要数十年甚至更多时间;基础研究与应用需求间结合可以丰富基础研究及扩大应用的可能领域。NRL由此具有了一种独特的能力,即在同一组织下进行多样的研究并可极有可能得到适于海军和国防部的需求的科技基础能力。NRL受到的赞助占绝对优势(85%),使其保持科学研究前沿的地位及其研究人员的专业程度,NRL满足了当前并了解国防部和海军的需求,从而与这些机构保持高度相关。 

  

  1  举例说明NRL开发的几个高光谱传感器

  一般来说,光学在海军及国防应用中起重要作用,从望远镜和六分仪到现在的光学测距仪、导弹制导、夜视仪、电光监视侦察及目标识别等。海军对飞机、舰艇及卫星的需求决定了其对科学与技术的强力支持。因此海军主持研究先进技术,一方面开发新科学领域来装备新的海军能力,另一方面发展现有技术提高海军和其它国防系统的效能。 

  

  2  NRL研制的多种先进海军/国防监视侦查系统

  NRL早些年开展了许多重要关于海洋和大气间电磁辐射的研究,如对无线传输中的跳跃距离及海水的光学性质的研究。NRL最早的两个分支是无线电和声学,之后是由Edward O. Hulburt于1924年建立的热光分支,热光分支先后经历了物理光学、光学、光学物理几个阶段,现在是光学科学部门。NRL在光学领域取得的许多成就植根于不同的部门,NRL本来就是一个多学科和跨领域的研究机构。 

  在Hulburt博士领导时期,光学科学部门甚至是整个NRL谨慎地进行海军感兴趣的常规课题研究。如在二战时期,NRL提出战时舰船使用红光最佳,可以有效利用光照度并减小其在海水中的可见性。同时NRL也提出新的伪装机制,其中一些使用了红外检测。新技术提出了新的科学问题,如针对核试验所需探测器,NRL不仅提供最新设备还重新研究大气的吸收谱来使这些新的设备更加精确。 

  在很多年间,NRL都是一个以传感器研究为主的实验室,许多项目的中心研究都是分析和探测技术。这是因为海军需要探测大量的事物,不仅包括如敌舰、飞机、潜艇、导弹、地雷等的位置,还有战时生或死的平民的位置。很多时候,知道自已的位置和其它友军平台同样重要,此外为了使其平台尽可能安全和有效,海军需要知道海洋、陆地及天空的天气情况;为了保证其成员安全,海军需要知道空气和水的质量是否含病原体等;在计划路线和活动时,需要知道海港的深度、潮汐发生的高度和时间及地形能支持的机动车类型。所有这些探测中使用的光学手段及相应的NRL研究工作和实际使用情况将在以下各部分进行概述。内容为NRL所进行的有关光学材料和主动光学技术如激光器的研究。 

  光学材料

  NRL在先进光学材料发展中作了许多创新性的贡献,下面是两个有代表性的例子: 

  1.      低损耗玻璃 

  1980年代,理论上预测氟化物玻璃光纤中的散射损耗比硅基质光纤中低很多。这使得在不需要电子中继器的情况下实现越洋及洲际通信成为可能。NRL的光学科学部门开始进行化学纯化、玻璃融化和光纤拉制,制作低损耗氟化物光纤。1980年代末期,他们创记录的得到了损耗仅为2dB/km的光纤(理论最小损耗值为0.025dB/km)。在工作波长为3.8µm的化学激光器之类的高功率激光系统中同样需要低耗损玻璃。NRL光学组的科学家解决了氟化物玻璃结晶趋势问题并生产出直径20英寸、吸收损耗小、热光系数为负的氟化物玻璃,一直到今天白沙导弹靶场仍在使用该玻璃。 

  波长2-5µm的红外对抗系统(IRCM)在1992年开始发展,用以防止飞机被红外制导导弹击中。现有的红外对抗系统使用镜子等将中红外激光器的输出激光转移至光束指向设备。NRL光学科学部门的研究人员提出用一个简洁、可靠、轻量化的镜片将激光能量转移至输出窗口,他们制作了特殊的纯化和生产设备来得到高强度的硫化物玻璃光纤,具有高损伤阈值、低损耗的特点。该光纤成功用于现场测试,相关的12个技术专利也已授权工业界使用。 

  2.      高性能光学材料 

  对于一些窗口玻璃应用而言,常规的硅玻璃太脆弱而容易受到损伤。不同于玻璃材料及单晶材料,透明陶瓷是一类具有与玻璃及单晶类似的光学性能、特别坚固的多晶材料,在需要对人员及传感器进行保护的领域得到应用。尖晶石(MgAl2O4)陶瓷早在1960年代就发现其具有低光学吸收损耗、性能稳定的特点,但无法实现较大尺寸透明片的生产。NRL的光学科学部门的研究人员在2003年开启了一项旨在研究烧结动力学的内部项目,得到直径1英寸的透明陶瓷样品,并在此基础上成功的将尺寸扩大为12英寸*16英寸的平面。与此相关的6项专利同样授权给工业部门。他们将制作透明尖晶石陶瓷的经验和设施用于其它透明陶瓷材料的研究,如激光材料Yb:Lu2O3和Yb:Y2O3。由于熔点太高(约2400℃),这些材料作为单晶时生长困难;而通过烧结致密就可以在65%熔点处进行,从而消除了晶体生长中高温带来的问题。对这一领域的研究开始于2007年,并于2011年将此应用于激光陶瓷,使激光器效率提高74%。 

  激光器

  从激光器出现以来NRL就在开发新激光源、研究材料、等离子体及应用领域研究,如激光对抗、指示、激光等离子体产生与激光传输研究。激光器发明几十年以来,NRL发现了多种新的激光跃迁,发明了准分子激光(这成为一个新的激光器类型)、改良了许多现有的激光器,如提高功率、输出光束质量、相干特性等;利用激光进行材料加工生产,设计了许多新的频率转换技术,提出大量的使用激光的光学探测方法。 

  1.      辐射平衡激光器 

  高功率激光系统的一个共有问题是废热的产生。热致光畸变限制了激光亮度和重复频率的提高。NRL的研究人员提出一种新颖的设计来减少激光器中产生的废热:在激光增益介质中引入反斯托克斯荧光冷却。如下图所示,泵浦光中的红移导致它位于荧光中心和激光发射谱中间。该技术方案可以得到极低热负载的激光器。当泵浦光和激光光强平衡时整个激光系统将实现零净量子缺陷,即辐射平衡激光器。NRL设计测试了大量的激光器系统,得到了内部热量仅为激光输出能量的10-4的激光器。NRL得到了500W平均功率、高光束质量的高效掺镱激光,同时还探索了铒、铥、钬掺杂的长波长激光系统。辐射平衡激光技术在提升固体激光器功率水平至数千瓦级别是一个有潜力的方案。 

  

  辐射平衡激光器设计原理图

  2.      紫外和X射线激光器 

  1970年代,NRL投入了大量的精力研究紫外及X射线激光器。Raymond Elton提出在X射线领域中用瞬态反转数来产生增益。调Q激光器可用来得到光致等离子体和瞬态反转粒子数,但直到1980、1990年代出现更高功率的激光泵浦时X射线激光器才得以实现。波长为38nm的深紫外相干辐射通过对Nd:YAG激光进行28倍频得到。 

  Stuart Searles和George A. Hart发明了第一台受激准分子激光器,这为紫外辐射提供新的光源。随后出现了更大功率的电子束和放电泵浦受激准分子激光器,并应用于高功率领域。由此搭建了KARL(Kilo-Joule Advanced Research Laser)系统,该系统单脉冲能量为100J量级。NRL用受激准分子激光器在金属蒸汽和氢池中利用拉曼频移来产生海军光通信计划中所需的蓝绿激光,该研究之后用于EMRLD(Excimer Moderate-Power Raman Laser Device)蓝绿通信激光系统。氢池中准分子激光器的拉曼频移也可用于光束净化,由低空间质量泵浦光束产生高空间质量的斯托克斯光束。 

  1980年代,SDIO项目赞助NRL实验室启动了软X射线激光器的研究项目。不久NRL便发明了一个波长为23nm的锗软X射线激光器,他们首先理论预测然后实验证实了该激光的产生。 

  3.      带间级联激光器 

  由于非辐射跃迁速率随波长呈指数型增长而且内部损耗与λ2~λ3呈正比,通常认为波长为3-6μm的中红外半导体激光器性能较差。经过长期持续的研究,也仅有几个研究小组可以产生波长为2-3μm、性能好的基于锑化镓的半导体激光。将常用的多量子阱半导体激光器波长范围拓展至3μm以上的中红外波长常采用的技术路线是在含锑层中加入更多应力,其主要难点在于减缓由于价带偏置趋向边缘而导致的空穴逃离量子阱。直到最近才报道了常温下连续工作的波长为3.44μm的激光器。 

  在此背景下,1994年发明的量子级联激光器(QCL)开始发展壮大。量子级联激光器通过导带子带间跃迁而非传统半导体激光器中导带和价带间跃迁获得增益。高功率密度阈值阻碍了激光器在室温下连续工作,而这恰恰是许多应用中所需要的。除高电流密度阈值外,上能级子带中较短的载流子寿命(<1ps),量子级联激光器至少需要10V的偏置电压,这是由于为了达到足够的增益,至少需要30到40级级联。尽管如此,较低的温度敏感特性结合有效的散热,量子级联激光器不仅在2002年实现室温连续运转,而且在2011年得到了近衍射极限的5W连续激光输出。量子级联激光器提出不久,人们就提出了带间级联激光器(ICL),将传统半导体激光器中导带-价带间光学跃迁和量子级联激光器中多个有源层相结合,如下图中各级有源层可以细分为1.激活量子阱、2.空穴注入器和3.电子注入器。尽管最近也有I型(即在同一层中价带最大而导带最小)带间级联激光器的报道,激活量子阱通常具有第二型排列,即价带在GaInSb空穴量子阱中最大而导带在两级联的InAs电子量子阱中最小。与其它半导体激光器不同,带间级联激光器中电子和空穴非平衡增益来自于内部电子与空穴注入器间的半金属表面。另外,复合仅注入和移除电子。带间级联激光器的激活量子阱载流子寿命长(约1ns),这保证了电子和空穴注入器共用一个准费米能级。 

  

  带间级联激光器能带示意图

  1997年采用20级有源层首次实验成功以来,性能受限于高阈值仅有缓慢提升。带间级联激光器连续工作的温度由2001年的142K、2004年的214K提升到2005年的237K,此时室温下脉冲电流密度阈值为630A/cm2。2007年,喷气推进实验室(JPL)报道了工作于264K、单模运转的DFB带间级联激光器,用于NASA火星Curiosity任务中的甲烷探测。 

  2006年首次报道了在NRL进行的带间级联激光器设计、生长、加工和特征工作。最开始时,10级级联激光器的室温电流密度阈值超过1k A/cm2,NRL进行了一系列实验将阈值降低至400 A/cm2。2008年,NRL的narrow-ridge带间级联激光器成为第一个在室温下连续运转的带间级联激光器,这是几乎半个世纪前首次发明InAs半导体激光器时就追求的目标。截至2008年,带间级联激光器的指标已达:最主工作温度可达118℃、25℃连续工作时最大插座效率大于18%、室温下最大输出连续功率高达500mW、脉冲阈值电流密度低至100-130 A/cm2、室温连续驱动功率低至29mW、室温连续运转波长至5.7μm。 

  带间级联激光器及量子级联激光器的发展直接影响是基于中红外光谱的化学检测系统开始成熟,目前已有商用的污染气体如甲烷、CO2、CO及空气中的甲醛的探测设备。带间级联激光器较低的驱动功率对单光谱模式、低输出功率要求的探测系统尤其重要。军方的兴趣点首先是利用红外对抗光源进行热导导弹拦截。量子级联激光器十分适合产生4μm以上波长、高功率、低发散光束的激光。 

  4.      高功率激光技术  

  NRL的光学科学部门和材料科学技术部门从1960年代开始直到1980年代早期一直把激光武器的定向能量研究作为海军实验室各项技术研究的中心工作。第一件事是Avco Corp的成立。他们用功率为100kW的CO2激光器进行损伤有效性和光束传播研究。NRL在进行激光传播研究时发现光束在海平面处的空气中由于气溶胶和分子吸收器导致激光能量被散射和吸收,光束质量由于热晕效应而变差。NRL进行了大量了大气透过率测试以全面了解热晕效应。为了有效地传播激光,必须选用大气吸收小的激光波长。Ted Jacobs(之后的光学科学部门负责人)与航天航空公司的合作者在1969年报道了第一台连续工作的化学HF/DF激光器。NRL的高能激光器计划在1980年代暂停。 

  911恐怖袭击之后,NRL和海军重启了关于高能激光器的研究。等离子体物理部门中由Phillip Sprangle领导的小组提出用现有商用激光器进行非相干组束的方案,在外场实验中将激光传播数公里远,此外他们还参与了海军的自由电子激光(FEL)计划,提出并分析了几种原则上可用于产生舰艇防御所需的高平均功率结构和组件。该小组关于高能量定向激光武器的研究对海军的规划产生了实质性的影响。 

  5.      早期的钕玻璃激光器研究 

      为了产生更高的激光强度,NRL的研究人员在1970年代采用钕玻璃碟片代替激光放大器中的所用的圆棒,以此减小激光放大的损伤。NRL首次研制成功闪光灯泵浦的钕玻璃碟片放大器。该激光器最终得到1.5kJ、脉宽3ns的1064nm激光输出,并用于高空核爆炸试验和研究困扰惯性约束聚变项目中等离子体不稳定的问题。该激光器还是劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)中更大能量Shiva激光器的原型。Emmett博士于1972年从NRL去LLNL工作,基于原设计理念,他主持建设了一系列用于惯性约束聚变的更大能量的钕玻璃激光器,最终国家点火装置(NIF)实现了1.8 MJ的激光能量输出。 

  6.      KrF准分子激光器和惯性约束聚变 

  1987年,研究重点由钕玻璃激光器转向电子束泵浦的KrF准分子激光器。除光束匀滑的优点外,KrF准分子激光器输出波长为248nm,如此短的波长使其它物理目标的开发成了可能。1995年建成世界最大的KrF准分子激光器Nike可以输出5kJ,单光束不均匀性为1%左右,可以满足限制瑞利-泰勒不稳定性增长所需的匀滑要求并最终实现点火和高增益。这些结果使之前受限于光束不均匀的直接驱动实现激光核聚变的方案重新恢复生机。在Stephen Obenschain博士领导下,Nike实验在近几年支持了用于高增益设计的靶丸物理基础的研究。NRL利用KrF准分子激光器的独特优点开展并仿真了高增益、直接驱动靶丸设计。 

  1998年至2009年间,NRL领导了一个多学科、多组织的国家计划,该计划旨在开展进行基于激光驱动和直接驱动靶丸的惯性聚变能源(IFE)的科学技术基础研究。这项高平均功率激光器(High Average Power Laser, HAPL)项目支持两个独立的脉冲激光器装置:LLNL的Mercury半导体泵浦全固态激光器和NRL的Electra KrF准分子激光器。Electra可在高功率运转时输出重复频率2.5Hz、90000次脉冲输出,在低功率全固态脉冲时连续发射1.1千万次脉冲。HAPL计划同样支持对能量有要求的惯性聚变能源项目研究,包括最终光学部分(掠入射和电介质)、舱室、靶丸制造、注入及跟踪技术。 

  7.      高空核爆和天体物理等离子体的实验仿真 

  NRL的等离子体物理部门在1968年进行了首次光致等离子体的研究,该项目缘于对核爆炸的研究。在1965年左右进行的大气核武器试验末期,成立了许多项目组通过计算机和实验进行核爆仿真。该计划被命名为高空核爆(High Altitude Nuclear Explosions,HANE)计划。NRL进行了该计划中的一个实验,即在低压磁场容器中利用脉冲激光束打靶产生高温等离子体来仿真核爆。为了达到实验所需温度,需要强度更大的激光器。通过采用更大直径的钕玻璃棒得到更高的激光强度,在激光等离子体中得到了兆高斯量级的磁场。关于HANE的仿真在NRL持续进行了许多年。 

  NRL是首个在实验室中采用激光产生高密度等离子体来仿真天体物理现象的研究机构。分别在有无外部磁场的条件下将高功率脉冲激光聚焦于真空或本底气体中小块物质,产生在某些方面类似于天体物理学中的更强更久的高温等离子体。之后在不同情况对这些等离子体进行了研究,第一个发表的实验结果是关于天体物理学、超新星及星系间冲击的研究。 

  鑫编译自: CRAIG HOFFMAN, T. G. GIALLORENZI, LEO B. SLATER. 

Optics research at the U.S. Naval Research Laboratory. Applied Optics ,Vol. 54, No. 31,2015

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