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新型红外激光器及激光应用研究进展

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科协电子所分会
举办时间:2017-11-08       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
交流与讨论
主要专家简介:
  1. 林世昌:中科院电子所研究员,中科院老科协电子所分会理事长,曾任中国电工学会理事、电子束离子束分会主任委员
  2. 宋家骏:中科院电子所研究员,中科院老科协电子所分会理事长,曾任我国某卫星副总设计师
  3. 谭荣清:中科院电子所研究员,工学博士,高功率气体激光技术部主任。长期从事高功率气体激光技术及应用研究,在高重复频率脉冲CO2激光研制及应用、半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)、激光推进以及激光清洗等学术方向取得多项成果。曾先后获得中科院科技进步综合重大成果奖及一等奖各一次、国防科技发明三等奖一次以及中科院院长奖等奖励。
  4. (以下按姓氏笔画排列)
  5. 王玉富:中科院半导体所高级工程师,中科院老科协半导体所分会理事长
  6. 王伯懿:中科院力学所研究员,力学所分会理事长,中科院老科协老专家咨询团副团长
  7. 王庚辰:中科院大气所研究员,大气所分会副理事长,中科院老科协老专家咨询团副团长
  8. 方永绥:中科院电子所研究员,中国电子学会信息分会原秘书长
  9. 冯  庆:中科院电子所人事处副处长,中科院老科协电子所分会副理事长
  10. 刘国诠:中科院化学所研究员,中科院老科协化学所分会理事长
  11. 孙殿义:中科院电子所党委书记,副所长
  12. 李前康:中科院电子所高级工程师,中科院老科协电子所分会副理事长,激光技术
  13. 李致洁:中科院老科协副理事长,原局长
  14. 李悌兴:中科院电子所副研究员,激光技术
  15. 杨汝良:中科院电子所研究员,原副所长,微波技术
  16. 杨明江:中科院力学所研究员,激光技术
  17. 张  平:中科院电子所研究员,遥感技术
  18. 张志林:中科院老科协顾问,原局长
  19. 陈  伟:中科院电子所综合办公室副主任(主持工作)
  20. 胡万明:中科院老专家技术中心科技合作处处长
  21. 钮得禄:中科院电子所研究员,微波电真空器件
  22. 姚海琴:中科院电子所人事处副处长(主持工作)
  23. 党雅文:中科院电子所科技处副处长
  24. 郭新珍:中科院老科协电子所分会秘书长
  25. 屠乃琪:中科院国家天文台研究员,中科院老科协国家天文台分会秘书长
展开

【简介】

 

激光技术与原子能技术、计算机技术、半导体技术是二十世纪4项最重要的技术发明。激光技术是目前我国“智能制造2025”及国土安全重点发展的战略高技术之一。CO2激光器具有光束质量好、输出功率大、大气传输性能好等优点,是目前应用最为广泛的一种高功率激光器。近年来CO2激光在高平均功率、高重复频率脉冲输出技术、波长调谐技术、射频激励板条激光技术等方面所取得的研究进展,使该类激光器在一些国家重要工程中得到应用。LD泵浦碱金属蒸气激光器是一种新型的光泵气体激光器,由于其具有体积小、重量轻、光束质量好、大功率输出潜力大等优点,是目前国际激光研究的前沿和热点之一。激光推进、激光雷达、激光清洗分别代表了激光在新概念推进、遥感探测以及工业加工三个重要领域中的应用。本次沙龙重点讨论这些新兴红外激光器技术及其在上述三个应用方向的研究中需要探讨的问题。

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【主持人致辞】

 

宋家骏:我们分会本年度科学技术前沿学术沙龙现在开始,请分会理事长林世昌研究员致辞。

林世昌:各位领导,各位专家,青年朋友们,上午好!今天的沙龙邀请了我们电子所五室主任谭荣清研究员为大家做主旨报告,为大家介绍新型红外激光器技术及其最新应用的情况。激光这个领域是我所的老学科了,差不多有60多年的历史,但不同的时期有不同发展。今天很难得请到谭荣清研究员,他们工作忙得很,但对我们老科协搞沙龙很支持,百忙之中写了资料,给我们做有关报告。他重点介绍新的前沿领域,请大家讨论。

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【主旨报告】

 

谭荣清:新型红外激光器及激光应用研究进展

1 引  言

激光技术是目前我国“智能制造2025”及国土安全重点发展的战略高技术之一。我的报告主要结合我们电子所的激光研究工作,综述近年来在新型红外激光器研究方面的部分进展,主要介绍CO2激光器及LD泵浦碱金属蒸气激光器研究进展。CO2激光器具有光束质量好、输出功率大、大气传输性能好等优点,是目前应用最为广泛的一种高功率激光器。近年来CO2激光在高平均功率高重复频率脉冲输出技术、波长调谐技术、射频激励板条激光技术等方面所取得的研究进展,保证了该类激光器在工程项目中的实际应用逐渐展开。LD泵浦碱金属蒸气激光器是一种新型的光泵气体激光器,由于其具有体积小、重量轻、光束质量好、大功率输出潜力大等优点,是目前国际激光研究的前沿和热点之一。激光推进、激光雷达、激光清洗分别代表了激光在航天航空、遥感探测以及工业加工三个重要领域中的应用,我的报告主要讨论上述三个应用方向的研究进展及需要探讨的问题。

2 新型红外激光器研究进展

2.1  新型CO2激光器研究进展

CO2激光器是应用最广泛的一种气体激光器。CO2激光器电光转换效率比较高,可以达到20%,实现高功率、大能量输出的潜力大。此外,CO2激光器还具有光束质量好、可调谐,输出谱线丰富、大气传输性能好,穿透烟尘能力强等优点。并且CO2激光器运行维护成本较低,增益介质中的工作气体无毒无害,具有环保的特性。

CO2激光器是电子所的传统优势领域,经过不断的研究,已经走入工程化阶段。目前电子所主要研究的是TEA CO2激光器,即横向激励大气压(Transversely Excited Atmospheric)CO2激光器。该类激光器工作气体压力为1 个大气压量级,采用高压快脉冲横向放电激励,可输出高重复频率高峰值功率10.6μm脉冲激光。TEA CO2激光器不仅具有CO2激光器全部优点,还有一些独到的优势,比如峰值功率高、可重复频率输出实现高平均功率等。如图2-1所示为一台实用化千瓦级平均功率高重复频率可调谐CO2激光器,平均功率可达1000W,重复频率可达200Hz,波长可调谐。

图2-1 实用化高重复频率可调谐CO2激光器

重复频率是CO2激光器的一项重要指标,一般TEA CO2激光器的重复频率最高为600Hz,但是在实际的工程应用中,往往需要更高的重复频率。近年来我们在提高TEA CO2激光器重复频率方向开展研究,研制出kHz小型化TEA CO2激光器,它的重复频率比同体制激光器高很多,可达2—5 kHz,输出的峰值功率可达300 kW,小型化,这在一定程度上填补了国内需求的空白。图2-2为kHz小型化TEA CO2激光器的实物图。

图2-2 kHz小型化TEA CO2激光器

通常CO2激光器波长是10.59mm,这只是CO2激光增益谱中最强的一条谱线。从图2-3 CO2激光器的谱线图中可以看出,实际上有四条谱线的增益都比较大,分别为10.59mm、10.25mm、9.55mm及9.27mm。以上四条谱线为各支的强线。但是在很多应用需求中,除输出这四条强线外还要求输出某些增益很低的弱线,且实际应用中还需要很高的光束质量,因此有较大的研制难度。

图2-3 CO2激光增益谱线图

目前我们开发了一种双路快调谐脉冲CO2激光器,可以输出弱线用于探测特定的物质,并且激光器已经通过了工程化运用检测,可在野外实际复杂环境下应用,给国家有关项目提供了有利的支撑。

电子所关于CO2激光器的另一研究方向是射频(RF)激励扩散冷却CO2激光器,射频激励的电源频率在300kHz—300MHz,具有体积小、重量轻、无噪音,寿命长、免于维护,激励电压低、EMC好以及输出功率可实现比例放大等优点。近年来电子所做的RF激励CO2激光器主要面向工程化应用,主要针对恶劣的环境、高低温、冲击、振动等条件制作实用型激光器。如图2-4为RF激励CO2激光器样机,可以实现100W的输出功率;图2-5为小型化的RF激励CO2激光器,能够实现40W的输出功率。

图2-4 RF激励CO2激光器样机

图2-5 小型化RF激励CO2激光器样机

2.2  半导体泵浦碱金属蒸气激光器研究进展

2.2.1 简介

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL,Diode Pumped Alkali vapor Laser),是由半导体激光器(LD,Laser Diode)作为泵浦源,碱金属饱和蒸气作为激光的增益介质以实现高功率的激光输出。碱金属元素包括锂(Li),钠(Na),钾(K),铷(Rb),铯(Cs),它们最外层只有一个价电子,表现出相似的能级结构如图2-6所示。2S1/2为基态能级,2P1/22P3/2为自旋-轨道相互作用而劈裂的激发态能级,其中2P1/2 2S1/2跃迁对应D1谱线,称为激光跃迁;2S1/2 2P3/2跃迁对应D2谱线,称为抽运跃迁,对碱金属蒸气进行抽运就是要实现2S1/22P1/2能级之间的粒子数反转。

图2-6 碱金属激光器能级结构图

由于Li和Na的上能级间隙极小,激光阈值很高,难以实现有效的粒子数翻转,因此目前为止能够实现激光输出的碱金属元素是K、Rb、Cs,其对应的跃迁参数和量子效率见表2-1。从表中可以看出,碱金属元素的量子效率极高,达95%以上,这意味着在泵浦源的激励下,该类激光器有潜力达到极高的光光效率,同时介质中产生的废热将大大减少。

表2-1 碱金属激光能级参数表

表2-1 碱金属激光能级参数表

自激光器问世以来,人们大都十分重视半导体激光器与气体激光器的研究发展。半导体激光器具有体积小、质量轻等优点,但同时也有明显的不足之处,比如:单管半导体激光器功率有限(瓦级),需将多只单管半导体激光器进行输出耦合以获取大功率;另外半导体激光器的发散角很大,一般可达8°—10°。气体激光器的优点和缺点也很突出,优点比如光束质量好,单孔径可以输出大功率等,但明显的缺点是激光器的体积大。采用半导体激光器泵浦碱金属蒸气,综合了二者的优点,具有单孔径输出功率高、光束质量好、体积小重量轻、大气传输性能好,增益介质密封循环,无废气排放处理问题等优势,具有极大的发展潜力。

2.2.2  研究进展

目前国外主要从事DPAL研究的有美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)、美国通用原子公司(GA)、美国空军学院(USAFA)、新墨西哥大学等;日本的滨松光子公司、大阪大学以及俄罗斯的联邦中心实验物理研究所等。国外对DPAL的主要研究现状见表2-2,到目前为止报道的最高输出功率是2016年由美国空军研究实验室(AFRL)的G.A.Pitz等人实现的,输出功率1500W,光光效率55%,为气体流动型钾蒸气激光器。

表2-2 DPAL国外主要研究现状

表2-2 DPAL国外主要研究现状

国内DPAL的起步较晚,参与的单位主要有:国防科技大学、中科院电子学研究所、中国科学院长春光机所、浙江大学、西南技术物理研究所等。主要研究现状见表2-3。

表2-3 DPAL国内主要研究现状

表2-3 DPAL国内主要研究现状

电子所是在国内率先开展DPAL研究工作的单位之一,2012年5月,电子所实现了半导体泵浦线偏振基模铷激光输出,经继续对实验进行改进,获得了最高2.8W的铷激光输出,光光转换效率达21%。实验光路如图2-7所示,实验测量的铷激光光谱以及光斑如图2-8所示。

图2-7 Rb-DPAL实验装置示意图

图2-8 铷激光光谱以及光斑图

2013年10月,电子所实现了国内首次DPAL铯激光输出,激光输出功率394mW,光光效率7.4%,实验光路如图2-9所示。对各项参数进一步优化后,所得输出激光具有极好的光束质量,光束功率密度分布如图2-10所示。激光器光束质量M2因子接近1。实验证明了DPAL在光束质量方面的潜力是极大的。

图2-9 Cs-DPAL实验装置示意图

图2-10 Cs-DPAL输出光束功率密度分布图

2.2.3  应用展望

2.2.3.1 激光传能

一直以来人类有一种设想,因为太空中没有大气的衰减,在太空中设立太阳能发电站可以更有效的收集阳光,而传输能量就可以采用激光传能的方式。

此外激光传能也有更加现实的应用,比如说对无人机进行能量传输。近年来无人机的发展非常迅猛,其中续航里程是无人机的一个重要指标,在很多实际的应用,我们希望无人机能够长时间地停留在执行任务的区域,此时就可以采用激光传能的方式,通过一束激光将能量传到无人机上,然后在无人机上通过类似太阳能电池板的能量转换装置,将地面激光器传输的能量转化为电能,达到给无人机供电的效果。

为实现激光传能,需选用合适的激光器,首先激光器的波长必须处于光电材料高效吸收的波段,因为光电池把光能转化为电能具有波长选择性。例如砷化镓,其对于不同的波长转化效率差别非常大,波长不合适时转化效率可能低于10%,而当波长合适的情况下转化效率能够达到50%以上。DPAL激光器的输出波长770/795/895 nm,处于使砷化镓高效吸收的区域。而且激光传能所需激光器的功率要高,光束质量要好,最后输出激光的大气传输性能也要好。以上所需的各项条件DPAL激光器均有很大优势,因此半导体泵浦碱金属激光器在激光传能方面显示出极大的优势和良好的发展潜力。

2.2.3.2 激光武器

除了激光传能以外,DPAL在光电对抗以及激光武器方面也有较好的应用前景。DPAL体积小、质量轻、功率大等自身的特点,使其可以安装在飞机甚至无人机上使用,并且激光器自身的光束质量好,大气传输性能好。而传统的激光武器,比如装备有化学激光器的美国机载激光武器系统,虽然能够实现百万瓦级输出,但却存在致命的问题,比如运行时要消耗大量高活性的危险化学品,重量远超最初的设计并且后勤补给工作危险且繁重。

无人机的持续飞行与激光武器几乎无限的射击相结合,意味着单一的无人机可以巡航数天,极大降低了部署成本,对无人机的发展及国家方面都具有划时代的意义。

有资料认为[1],DPAL激光器是“兆瓦级激光武器的领先候选者”,并且美国导弹防御局(MDA)也认为“DPAL提供了一种高效率、电激励、紧凑、轻量的高能激光器的解决途径以应对未来威胁”。MDA在2011财年预算提案中将LD泵浦碱金属蒸气激光器明确为导弹防御的领先候选者[2]。正如该文所述“建造兆瓦级激光器并将其光束发射到数百公里外的目标上,是更具挑战性的问题,而半导体泵浦碱金属蒸气激光器,因其极高的效率以及通过采用气体流动使单孔径输出兆瓦功率,而颇具吸引力” 。在激光武器方面,DPAL有非常良好的发展前景。

2.3  室温Fe2+:ZnSe中红外激光器研究进展

Fe2+:ZnSe激光器是近年来中红外激光器研究领域的热点之一。其最主要的特点是通过能级直接跃迁输出3-5mm的中红外激光,在材料特性和转换效率等方面都具有明显优势。3-5mm波段作为大气传输窗口,处于该波段的激光源在激光雷达、遥感、环境保护、医疗、通信和工业控制等民用领域都有着广阔的应用前景。同时在军事领域,目标定位、红外对抗等对该波段激光源的应用需求也在不断增长。Fe2+:ZnSe激光器的特点除可以通过直接泵浦来获得高效激光输出外,同时它也具备较宽光谱范围的吸收带和发射带、输出激光调谐范围宽(3.5—5.5mm)、光光效率高以及激光输出能量大等优点,因此这种激光器受到广泛的关注。

但是Fe2+:ZnSe激光器的实现也存在一个难点,即在室温下难以实现激光输出,这是由其自身的能级特点所决定的。目前电子所采用自行研制的脉冲HF激光器泵浦Fe2+:ZnSe晶体,取得了比较好的效果,在室温下实现了脉冲能量高达80 mJ的激光输出。实验光路如图2-11所示。实验未采用垂直入射泵浦方式,而采用小角度斜入射的泵浦方案,解决了双色镜镀膜难的问题。

图2-11 Fe2+:ZnSe激光器实验装置图

3 若干激光应用的进展

3.1  激光雷达

近年来,激光器技术的发展,使得激光雷达得到了更好的发展。激光雷达种类非常多,比如大气测量激光雷达、跟踪激光雷达、测速激光雷达、合成孔径激光雷达等。其中大气测量激光雷达可测大气温度、水分、冰晶等,应用于天气预报方向可大大提高其预报准度。近几年,电子所主要涉及的是差分吸收激光雷达、三维成像激光雷达以及合成孔径激光雷达。

在美国有两个著名的激光雷达,其一是空间目标探测激光雷达“HICLASS”,最远可以探测10000km外的目标;在1000km时可探测反射截面25px2的目标,其发射口径为3.67m。二是跟踪激光雷达“火池”,它的一个成功例子是在354km时还可继续跟踪航天飞机,精度可达1mrad。

合成孔径激光雷达是利用激光器作辐射源的合成孔径雷达,广义上包括用紫外、可见光、红外和太赫兹波作辐射源的合成孔径成像雷达。其成像原理与微波波段的合成孔径雷达的成像原理基本相同,利用雷达与目标之间的相对运动,经信号处理产生等效的大孔径来获得高的方位分辨率。由于激光波长一般比微波波长短3-5个数量级,所以合成孔径激光雷达与合成孔径微波雷达相比,在获得同样分辨率的情况下,其合成孔径的长度要小的多,对相关硬件的要求更低,系统更易实现。另外,合成孔径激光雷达在成像时间上比合成孔径微波雷达有大幅度的减少,能够实现对目标的实时成像。因此,在远距离探测中,合成孔径激光雷达比合成孔径微波雷达具有更多的优越性。

近几年,我们在合成孔径激光雷达方面也做了很多工作,2016年取得了较好的实验成果,在国内首次实现了机载合成孔径激光雷达成像,地点位于陕西蒲城内府机场,对如图3-1所示的目标进行成像,结果如图3-2所示,分辨率可达5厘米以下。

3-1 成像目标

3-2 成像结果

3.2 激光清洗

激光清洗是新一代的先进工业清洗技术,具有绿色环保、非接触、选择性强、精细可控、自动化程度高、运行成本低等优点。目前激光清洗设备多采用半导体激光器、光纤激光器或固体激光器,一般为连续或准连续输出,输出波长为近红外。随着激光清洗应用的展开及深入,激光清洗设备对激光器的选择也将依据基底、清洗对象及技术要求“个性化”而定。

TEA CO2激光器应用于激光清洗有如下优势:(1)单脉冲能量大,用于激光清洗时,不仅具有热学效应,而且具有力学“冲击效应”;(2)高重复频率脉冲工作,与连续波激光器相比,对基底的热影响小;(3)TEA CO2激光器输出光斑为多模“平顶型”,均匀方正;(4)输出波长处于长波红外波段,非金属材料吸收率高,人眼安全;(5)运维成本低。

我们研制的高重复频率TEA CO2激光器,如图3-3(a)所示,输出波长10.6 μm,单脉冲能量可达15 J,重复频率可达150 Hz,平均功率达到2250 W。图3-3中(b)、(c)分别为该激光器的光斑形状及脉冲波形。该激光器光斑形状方正,能量分布均匀,并具有较高的峰值功率。

图3-3 高重复频率TEA CO2激光器

高重复频率TEA CO2激光器的以上特性,使它在激光除漆、激光文物表面清洗等激光清洗应用中,有独特的优势。我们以激光去除飞机表面漆层为应用背景,在激光除漆的最佳能量密度、激光除漆的效率与成本以及激光除漆对基底材料的力学性能的影响等方面开展了研究工作。图3-4所示为经过激光除漆与未经过激光除漆的样品的照片。

图3-4 激光清洗前后样品照片

(1)经济性测试:为了研究激光能量密度的影响,用铜凹面镜将激光光束垂直聚焦到激光除漆样品上,通过将样品放置在铜凹面镜焦点前的不同位置使照射到各个样品上的激光能量密度各不相同。测量样品所在位置的光斑面积,用入射激光能量除以该面积即得激光能量密度。

图3-5 单位面积除漆质量随激光能量密度的变化曲线

图3-6  Q*值随能量密度的变化曲线

如图3-5所示,单位面积除漆质量先是随着能量密度上升,在能量密度为6~8 J/cm2之间达到峰值,随后下降。当激光能量密度大于12 J/cm2后,单位面积除漆质量显著下降,此时,激光与样品表面的作用机理可能已发生突变。而进一步分析Q*值(Q*=激光能量密度/单位面积除漆质量)随能量密度的变化曲线,如图3-6所示。可以看出,当能量密度大于10 J/cm2后,Q*值随着激光能量密度的提高大幅提高,说明激光能量的利用效率显著下降。且在入射激光能量密度为6.5 J/cm2时,Q*值为极小值,约为3 kJ/g。

综合上述的实验结果,激光除漆的最佳激光能量密度为6-10 J/cm2。当激光能量密度为6.5 J/cm2时,激光除漆效率较高,此时去除干重为1 kg的漆层,需要的激光能量约为3 MJ。假设使用一台2 KW的TEA CO2激光器,其电光转换效率为10%。那么,除去1 kg涂漆耗电量为8.3 kWh,电费合人民币8.3元(设电价为1 元/度)。可见,采用激光清洗的方法,除去每公斤涂漆的设备运行成本不足10元。在经济性方面,激光清洗技术优于目前使用的化学除漆方法。

(2)速度测试:激光除漆速度是制约激光除漆技术向实用推广的关键因素之一。例如,在激光去除飞机表面漆层应用中,因为飞机维修公司一般要求在一到两天之内完成整机的除漆工作。如果激光除漆速度无法达到现用的化学除漆的速度(约每小时22 m2),就会拖延飞机的维修时间,可能会产生较大的经济损失。

若表面漆层厚度为50μm,设漆层密度为1 g/cm3,则每平方米飞机涂层质量约为50 g。按本文实验结果,去除50 g漆层需要的激光能量为150 kJ,对于本文采用的平均功率2 kW激光器,对应的发射时间75 s。即去除1 ㎡漆层需要的时间为75 s,这相当于在本文的激光除漆应用中,激光清洗的速度可以达到48 m2/h。

(3)安全性测试:将如图3-4所示的经过激光除漆和未除漆的两组样品分别编号,采用美国MTS公司810型材料试验系统对两组样品首先进行材料拉伸试验。在最能反映材料强度的抗拉强度一项,除漆组样品的平均值为399.6 Mpa,未除漆组的平均值为399.3 Mpa,两组几乎没有差别。

之后采用不对称拉伸循环应力测试激光除漆前后样品的疲劳寿命。实验结果显示:5个激光除漆后样品疲劳寿命的均值及方差都优于5个未除漆的样品,由于实验样品较少且高周疲劳的方差都很大,不能以此判定激光除漆可以改善样品的疲劳性能,但是至少可以初步得出激光除漆不会降低材料的疲劳性能。

最后采用显微硬度计,测量样品除漆前后的维氏硬度(HV)。测量结果如图3-7所示,可以发现,在高于均值的样品中,除漆的有5个,未除漆的有6个,并且分布表现出无规律性,所以飞机蒙皮经过激光除漆后维氏硬度并没有明显差别。

图3-7 除漆与否对维氏硬度的影响

在激光清洗领域,高重复频率TEA CO2激光器具有非金属材料吸收率高,人眼安全,热影响区小等独特优势,尤其适用于除漆、文物清洗等应用。实验结果表明,高功率高重复频率TEA CO2激光器在激光清洗过程中可以做到对基底材料性能无损伤。并且,初步计算表明该类激光器除漆工作效率可达到48 m2/h。不考虑原件更换及设备折旧等因素,激光清洗设备的运行成本很低,在经济性方面远优于目前化学清洗工艺。

3.3  激光推进

激光推进(Laser Propulsion)与另一种新概念推进方式-微波推进,均属于束能推进(Beamed Energy Propulsion)。激光推进的概念有狭义和广义之分。狭义的激光推进是指,通过激光与工质相互作用产生推力的推进形式。广义的激光推进,即以激光为能量来源的推进形式,还包括激光光帆、激光电推进、换热式激光推进等。本文所述激光推进仅限于狭义的1激光推进。

比冲(Specific Impulse)、冲量耦合系数(Momentum Coupling Coefficient)及能量转化效率(Energy Conversion Efficiency),是衡量激光推进性能的三个最重要的参数。比冲Isp是指消耗单位重量工质所获得的冲量,单位为s;冲量耦合系数Cm是指单位入射激光能量所产生的冲量,单位为N·s/J或N/W或dyn·s/J;能量转化效率η是指飞行器获得的动能与激光能量的比值。

根据是否携带工质,激光推进可以分为烧蚀模式(也称火箭模式)和吸气模式两类。在烧蚀模式中,强激光照射飞行器携带的工质(一般为固体或液体)的表面,使其发生等离子体或蒸气喷射,产生推力。吸气模式是将由进气道吸入的空气直接作为工质,由激光击穿后产生激光支持的等离子体爆轰波,推动飞行器前进。在这种模式中,一般激光器与飞行器分离,激光束通过地基或天基激光系统长距离传输,作用于飞行器推进部,无需自身携带推进剂。与传统的化学火箭推进方式相比,激光推进具有如下优点:

(1)比冲更高。受工质化学燃烧温度的限制,传统火箭推进方式的比冲很难突破500s,激光推进可达到3500~5000 s,这意味着消耗同样质量的工质获得的冲量可以提高1个数量级;

(2)有效载荷比高。有效载荷比是指飞行器所能运载的有效载荷重量与飞行器起飞总重量之比。传统推进方式由于需要携带大量化学燃料,有效载荷比一般仅为1.5%,激光推进由于可以将能源与工质分离(吸气方式的激光推进甚至不需要携带任何工质),激光推进的有效载荷比可达15%,这意味着同样起飞重量情况下“载重量”可以提高1个数量级;

(3)发射费用低。由于发射装置可反复利用,消耗的能源可由电力等廉价能源提供,发射载荷到近地轨道的费用有望从目前传统推进的大约每公斤10000美元,降低到每公斤100美元;

(4)推进参数可在大范围内控制,非常适合变轨、轨道维持等应用。激光推进应用中,激光器的发射脉冲数(启停时刻)以及输出脉冲能量(输出功率)、重复频率等相关参数可在大范围内精确控制,推力产生方向也较易控制。通过精确控制照射工质的“激光剂量”,可以使冲量控制的“分辨率”达到10-8 Ns,推力控制则可达到μN量级;

1997年4月至2000年10月,美国Dr.Leik Myrabo领导的研究小组与空军合作在白沙导弹靶场进行了多次自由飞行实验;2000年10月,将直径122mm重50g的光船推进到71m的高度,自由飞行时间12.7s。

我们也做了一些关于激光推进方面的工作,图3-8为激光推进自由飞行演示,采用平均功率千瓦级重复频率脉冲CO2激光器,推进10.2g的金属光船,实现了自由飞行。

图3-8 激光推进自由飞行演示

激光推进的应用范围十分广阔,清除地球周围的太空垃圾是其现实应用之一。在地球上发射激光推进空间中的碎片,改变空间碎片原有的运行轨道,使其偏离运转轨道进入地球大气层自然烧毁。激光推进清除太空垃圾的方法成本低,安全性好,是一种比较有前途和潜力的方式。

4 结论

结合中科院电子所的研究工作,我们对三种红外激光器的研究进展进行了介绍,概述了其原理及各自的优点。我们分析讨论了激光雷达、激光清洗、激光推进三种应用,它们在各自的应用领域有一定的优势,是未来需要重点关注的几个研究方向。以上几项研究进展也同时说明,激光技术有广阔的应用范围和良好的应用前景。

参考文献

JEFF HECHT. Diode pumping enables a new approach to alkali-vapor lasers. LASER FOCUS WORLD, April 2011.

JEFF HECHT. A new generation of laser weapons is born. LASER FOCUS WORLD, April 2010.

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【交流与讨论】

 

宋家骏:谢谢谭荣清研究员给我们做的很精彩的报告,下面时间大家自由发言和讨论,可以提问题也可以发表看法。

李致洁:我提个问题,因为雷达一般是微波的,那么激光雷达是怎样的原理呢?请简单介绍一下。

谭荣清:激光雷达的原理和微波雷达是完全一样的。激光雷达林林总总,我说有代表性的吧,它照到物体会反射,再接收过来,通过处理,提取有用的信息,这就是激光雷达的原理,实际上跟微波雷达完全一样的。

比如说三维成像的激光雷达,它就是发射激光的一个一个脉冲,然后激光脉冲收回来以后呢,它和普通的光学照相的区别在于,光学照相是完全二维的,激光雷达,它把脉冲收回来,要计算这个飞行时间,通过激光脉冲打出去再接收回来的时间,能把它和物体间的距离也测出来,反演出来的是三维的立体的图象,除了有二维的之外,还有高程数据,比方说用激光雷达去扫描一个城市,可以把各个楼宇的高度,同时在这个数据里头显现出来,这就是激光雷达和光学照相的区别,也就是激光雷达的一些用处。这我举的是一种,实际上有很多,总的来说是要接收回波的,处理回波的信息。

屠乃琪:说到激光雷达,我搞过人工激光测距仪,发射器是红宝石激光器对准装有角反射器的人造卫星上如,探险者13号,或者探险者56号。我们搞人工激光测距仪,测量的是地面到人造卫星的距离,激光器有发散角发射时覆盖卫星,计算发射脉冲时间和接收有个脉冲时间差,用时间差确定距离当时的精度十米。这个项目现在安装南美跟阿根廷天文台合作,我们把这个项目应用到天文台,南北天区布网它测量的精度大概能达到半米级了,现在正常每天在进行日常的观测工作。地球动力学,改善地球自转,提供常规的资料,做常规的观测。

另外我听谭老师报告学习了很多激光的知识,听谭老师介绍,说人造卫星的碎片,因为我们天文台有个人造卫星碎片组,监测太空垃圾,垃圾对发射的安全影响极大,咱们发射火箭的时候不要碰上,提供安全预报。激光器应用之一可清除人造卫星的碎片,专门有这个研究组提供安全期预报,有关单位跟据预报选择什么时间发射,避开主要的碎片。

宋家骏:您测距离,最远测到多远?

屠乃琪:一千多公里。

宋家骏:那很远啦。

杨明江:九十年代中科院在北京有激光研究的单位有物理所、力学所、电子所、化学所、半导体所等,研究各有特色。我知道当时电子所主要搞CO2激光器,还有有特色的铜蒸气激光器。今天我来听了电子所谭主任的报告,很受感动。因为CO2激光技术在一般人眼里已属技术成熟的老技术,主要用大功率连续激光实现激光焊接,切割、热处理。而电子所几十年坚持不懈,特别结合军工和检测,研发出一系列高重频CO2脉冲激光技术及新应用,研发工作发展很好,很有特色,工作很不容易。听了很振奋,很值得我们学习你们咬住不放松精神。

你们介绍的激光清洗工作主要讲了金属表面的油漆和模具表面橡胶残余物清洗,橡胶等有机物,对红外光吸收好,容易气化。我想问一下你们对金属表面氧化物的清洗做过些什么研究?比如铝合金表面三氧二铝(Al2O3)氧化膜的激光去除。就我所知,在目前先进制造中,汽车、高铁、航空航天装备中,为了实现轻量化,大量采用铝合金、铝镁合金、钛合金等部件,部件焊接碰到困难是Al2O3清除。Al2O3结构致密,汽化点高,易氧化生成,残留在焊缝中容易形成诸多缺陷,影响焊接质量。现在工厂去Al2O3的方法主要采用机械刮削,速度慢,尺寸精度不易保证,询问激光有无办法。你们的报告讲,CO2激光脉冲宽度已做到70~100纳秒,而在许多表面微加工领域,激光脉宽要达到几个纳秒到一二十个纳秒,你们能不能进一步努力达到,以拓宽应用。

谭荣清:我接着杨老师说几句。首先感谢杨老师给予肯定。对于二氧化碳激光器来说,它不容易做得更窄。二氧化碳激光器从原理上,从实验室的角度,还可以做得窄,比方说我汇报的美国的大型的雷达,它的脉宽已经做到几纳秒。但是要用比较难的技术。如果是比较通用的,工业化的,一般可能做到几十纳秒就算窄了,很难做到YAG那样10纳秒。YAG已经很容易做到,但二氧化碳就比较难。但也不是不可能,比方说个别的应用,就做一个两个,那是有可能的,但做系列产品是有难度的。

刚才天文台的老师讲到了测距,激光测距的激光器现在一般用的是固体的。能不能用二氧化碳测距?测距为了测得准,脉宽很窄,就好比只有你尺子刻度画得很密才可能测得很准。需要脉宽很窄,二氧化碳想做得很窄,有可能,但确实技术上比较难。但二氧化碳比YAG有个优点,能量想做得大比较容易,就看具体应用了。

第二个问题,杨老师说得非常好,现在去除氧化物,包括比方说激光除锈也是属于去氧化物,这是现在最多的激光清洗的需求。现在需求是很明显的,也有一些工作,我也做了一点点工作。坦率来说,我们实验室这方面的工作正在进行,手里做了个别样品。

激光除锈这个事儿是可行的,是可以除的,也可以达到比较好的效果。现在进口的商品化样机也有,而且是能做的。这个问题提得很好,确实是目前很重要的一个需求。有很多钢厂啊!其实杨老师说的焊接之类可能是更高端的需求了,比较大的需求,比方说轧钢厂,轧出来后很快氧化了,现在都用酸处理一下再给人家,但现在政府不让用了。一线的人都跟我提过,说目前至少用二氧化碳激光器解决得还不够。

杨明江:还有一条,在先进制造搞轻量化时,多用铝镁合金等和钢铁焊接。这时不光是要解决表面氧化物清除问题,还有一个很重要问题,不同金属熔点很不一样,固定激光脉冲加工,往往一种金属熔化了,另一种没熔化,最后凝固后的焊缝就不是良好均匀的冶金结合。我们认为需要研发一种激光波形调制技术,让一个激光脉冲中的能量密度随时间准确变化,以实现作用点的温度和时间控制。我们在激光毛化应用中用激光波形调制实现了抑制汽化,增加熔化,现在也在进行集成电路焊接实验,以解决微小作用点,低温焊接问题。我建议你们在高重频脉冲CO2激光波形调制技术进行进一步研究作为一个新的特点,做出更多贡献。

王柏懿:力学所的杨明江他们一直用YAG激光器。

林世昌:刚才我听谭老师介绍是激光器不动的,工件在动的,能不能这个激光器动?

王柏懿:力学所的杨明江他们一直是激光器不动。

林世昌:那个技术有没有?像手枪一样的。要用光纤,光纤传的区域可扫描。气体激光器比较困难。你这个在缝里头,工件动的话就比较麻烦,要旋转了。

杨明江:二氧化碳的难点就难在这儿,很难用光纤传输。

林世昌:暴露出来的可以扫描,缝里面的扫描不到。

杨明江:一般40度以上60度以下,可以干。

王柏懿:力学所杨明江他们主要是做应用的,如汽车厂。你们这个二氧化碳,做清洗的,一台激光器要多少钱?

谭荣清:这个是不太好回答的问题,因为跟你的具体的参数什么关系很大。我们实验室做的脉冲激光器来说,卖的便宜的几十万,贵的几百万。几十万到几百万。比如说我说的千瓦级的,个比较大的,几百万。小一点的,可能就是几十万。

王柏懿:比如说你提到的清洗飞机的那个激光器,需要多大的功率?

谭荣清:飞机要用千瓦级的了,大概上百万。

王柏懿:还行,飞机用还买得起。

杨明江:军工,工业上用数千瓦CO2激光器,千瓦级YAG或光纤激光器,前几年4到6千瓦的YAG激光、180万美元,后来降至80万美元。原来我们都研究激光器,现在应用的那个要求是越来越高,应该更重视激光应用工艺的研究。

钮得禄:我讲点补充意见。科学院是我国最早开展研制激光的单位,研究课题大都重点放在气体激光器上,尤其对二氧化碳气体激光器的研究,包括它的应用研究都取得了较大成绩。20年前我院长春光机所就成功地研究出平均功率为10 kw的高功率气体激光器。当时由院长亲自参加鉴定,但由于该器件体积较大,而未得到推广应用。

近几十年,国际上对高功率固体激光,固体激光雷达加大了研究力度,投入了大量的人力、资金。像谷歌公司一家,就投入了1300万美元,成立了专门的团队,研制自动驾驶汽车用的固态雷达传感器。科学院由于上个世纪重点研究放在了气体激光方面,对固体激光研究关注不够,投入经费也少,所以在2000年后,有点下滑,有的研究所的激光研究有些边沿化。当然,这也和国家在上世纪,对材料的科学研究投入力度不够有关。

国际上近几年还有一个最热门的研究项目,固态激光雷达,作用距离在200-300m。这种雷达体积小、重量轻,用途特别广泛。是无人驾驶汽车、无人飞机、移动机器人、巡航导弹等等自动导航不可或缺的传感器。上海光机所、科学院上海高研院、技物所、武汉大学、哈工大等等都把该项目列入重点研究对象。

在研发固态雷达时,还要提到一个核心技术“激光成像技术”。不是所有的激光雷达要求成像,有的只需要探测到目标的距离、方位、高度、速度等就够了。有的固态激光雷达,则要求被探测的目标成像。如对水中探测的目标,直升机在复杂的环境中落地时,地理环境成像。巡航导弹要击中的目标也要成像等等。据报道,中科院光电研究所,在面阵三维成像,激光雷达研究方面取得了某些突破。但离实际应用还有一段距离。希望科学院加大这方面科研项目的力度,电子所也应立项研究。因为电子所有微波成像的研究的基础。

在这里,我还有一个不成熟的想法。在研究固态激光时一般把固体变成蒸气。一般来说,把材料由固态变成气态,体积会增大,密度会减小,这样,激发出来的激光就会减少。如果把固体材料变成半气体状态的晶体微粒,会提高单位体积的密度,这是否会增加激光的输出功率呢?不知会有什么问题?

刚才谭老师提到激光雷达能否应用在海上大雾天,避免大型舰船的碰撞问题。激光雷达应用时,环境是有要求的。沙尘暴、大雾会大大影响它的功能,解决这问题的办法就是应用太赫兹雷达。

林世昌:老钮提的建议很好。我网上搜了一下,党的十八大以来,中国科学院重大成果20项,激光就有两项。第一项,就是自主研制世界首套深紫外固态激光源前沿装备,国际领先,这是第一个。

王柏懿:这是哪个所的?

钮得禄:理化所的。

林世昌:第二项,超强、超短激光研究达到国际领先水平。达到什么呢?5.3帕瓦(1帕瓦等于10的11次方瓦)。昨天我到院图书馆去参观,我们党员和老科协搞一个活动,去参观咱们院的成果,讲到5.3帕瓦了。电子所有特点,搞气体激光。老钮提的意见很好,这样气体激光、固体激光,取长补短,创新思维,这个很好。

李悌兴:科学院,主要是把精力抓了几个光机所,上海光机所和西安光机所,都是主要投资在那个地方。我们所只有一个室搞激光,基本上没有大的项目。

杨明江: 80年代、90年代开始,北京的几个激光所经常开会,现在有的所逐渐消沉了,希望电子所用这种激光沙龙方式把科学院激光所的研发力量再凝聚起来。

林世昌:电子所激光既是老的学科,又有新的项目。

王庚辰:首先感谢谭主任做了这么好的报告。激光技术和它的应用,是非常非常大的领域,这么短的时间,给我们做了全面的介绍,信息量非常大,我们都来不及消化。我是大气所的,我们不搞激光,但搞激光应用。我今天的心情难以表达,主要是我们搞激光应用那么些年了,确实走了一条非常艰辛的道路,也非常高兴激光发展这么快,确实是感触很深。

我们大气所,从第一台激光雷达,1962年研制成功,是国内第一个激光气象雷达,后来我们做两方面工作,一个是激光探测大气各种参数,目前为止,谭主任讲的七种激光雷达,我们除了(共振荧光)之外,其它都在用。

第二个方面,就是激光传输,我认为各个波段的激光在大气当中传输,不光是衰减吸收问题,它主要是影响激光成像质量,等等。固体激光、气体激光、半导体激光都在用。我们不做器件,但我们应用,就要了解这个激光器在大气当中的特点。

当我们做二氧化碳激光、一氧化碳激光应用的时候,非常困难。当初找不到一家能做激光器。最后找到的是大连化物所和上海光机所,那个激光器就和谭主任讲的一样,就相当于这么一个桌子,比这个桌子还大的东西,非常大。但是当时我们很珍贵,为什么?因为它是可调谐的,七八十条谱线,我们一条一条的做,所以很艰难。然后找半导体所,也不行,只能从国外买。国外一个小的半导体激光器很贵很贵,我们要求它也要可调谐,当时很艰难,所以我非常高兴你们做出这样的激光器。现在如果我们再做这种工作的话,从器件上我们不发愁了,我非常高兴。

时间关系我不讲了。我想问两个问题,一个是对我们气象大气环境的应用来讲,首先需要常规的激光器,还要可调谐的,我们希望可调谐的二氧化碳激光器,这个方面谭主任很清楚;然后是便携的,目前激光雷达是很大的东西,很沉,现在我们的激光雷达都是在固定点应用,另外激光雷达还需要专业人员维护。另外一个,最好是要高重复频率,我们希望探测距离更高,探测的分辨率更高。所以希望你发表一下你的看法。第二是找到我们最多的,就是现在的雾霾天气比较厉害,好多单位找到我们,就是说现在是高速公路上撞车,雾霾天,近海撞船,就是你们能不能在雾天的状况下,减少高速公路上的撞车事故,避免海上撞船事故,因为我们现在没有什么更好的办法来做,就是应用方面,有没有什么高见供我们学习和参考的?谢谢。

林世昌:刚才王老师讲到可调谐,我在电子所网站上看到研制新型的激光器,已通过外场实验,其中讲新型远红外可调谐激光器。

王庚辰:可调谐,这个详细讲就多了,就是可调谐的范围和精度

林世昌:我曾经跟谭老师商量,我说我们电子所网站报道的,能不能讲讲?这个可调谐,大家都挺关心的。

王庚辰:因为我们,刚才讲了差分吸收的嘛,我们希望就是一条谱线来吸收很强,调到附近那条谱线上,它可能吸收很弱,为什么七八十条谱线我们要一条一条来研究呢,就是要看看每一条谱线它在大气上的传输情况怎么样。

谭荣清:第一个问题,王老师说的这些,我给总结了一下,五个关键词。关于这个大气探测的需求,可调谐,差分,便携,维护,高重频。说句老实话,这些年来,尤其是近一二十年,这就是我们实验室追求的目标。我们一直在做这个事儿。可调谐应该说是我们这个实验室的特色,在国内是领先的。可调谐是指二氧化碳激光器的可调谐,或者稍做拓展,气体激光的可调谐。可调谐的气体激光器,我们做了大量的工作。在二氧化碳这方面呢,一看王老师真是用过,二氧化碳激光器的可调谐,一般来说,就像王老师说的,能出七八十条线那很贵的,个儿也很大。那个我们现在做没问题,我们出的线绝不会比国外或者是谁少。我在2006年中国光学大会上,那时候做PPT讲稿的时候,我是讲我们出70几条线、80几条线,现在我们不这么讲了,现在我就讲我们能出很弱的线,那是在二氧化碳很边缘的线。那个线我们能出,别的那就不用说了,所以我们在出线这方面没问题,可以出非常丰富的谱线,七八十条那是没有问题的,这是一方面。

另外一方面,光有调谐不行,还要有快调谐。尤其是在差分激光雷达里面,需要大气冻结时间十毫秒之内,你能从一支到另一支。这个我们从两方面做工作,零几年的时候就开始做工作。一方面是单台激光器,可以快速在两个波长之间切换。这个实话实说,我现在解决的离咱们大气探测的,还稍有距离。我最快的大概在40毫秒左右,可以在两个值之间,任意的两个,二氧化碳10P、10R,9P、9R,其中任意的一根线和另一根线之间,快速的调谐。最快大概可以做到40毫秒。但是呢,这个离咱们大气探测有的时候可能还有距离,咱们希望大气冻结时间10毫秒之内。

我们现在换了一个角度,我们因为还是注重实用嘛,不要追求理论、追求象牙塔式的研究。我们做了一个,就是我今天汇报的最新的成果,我们做的是双路,在输出波长方面是独立控制的,我预先程序完全可以设计好,这路出哪个波长,这路出哪个波长,这两路之间输出的波长,可以每一路都可以是任意一条线,它俩之间的时间,是任意的,可以从同时,之间的快速到0,同时就是0嘛,到你要10微秒,你要100微秒,你要1毫秒,你要10毫秒,都可以,因为它双路独立控制的,这个原理上完全可以想像得出。

我们当时在工程上还遇到难处,我就多罗嗦两句。我们遇到一个很难解决的难题:双路的时候,让它俩同时输出激光也可以,让它俩拉开很宽,拉开很长时间输出也可以。最难受的事儿是这两个之间要很快的时候,你第一路一输出,因为电磁干扰,另一路本来没让它出,让它再过一小会儿,它一着急它自己先跟着出来了。这个就是互相干扰的问题。这个双路互相串的问题,这个困扰了我们一段时间,我们现在完全解决了。这双路,中间根据程序设定,相隔多少长时间都是可以的,都是任意调的。这是差分可调谐。

便携的话,说老实话对气体激光器是有难度的,反正我们尽量往这个方向做。我们做的最小的便携式激光器是10公斤,充电电池供电,不用220v。我们当时是一个什么特殊场景呢?搞工程的人,希望爬到那个装备车的车顶上去,打出一束激光,这个经常爬车顶,只能拎个十公斤已经算是不错的小伙子了。

王庚辰:我们是希望爬到300米的铁塔上。

谭荣清:是啊,对,我知道你们大气所有个铁塔,现在还耸立在那。那个铁塔要带个激光器上去,10公斤已经不容易了,年轻小伙子可以。所以这个我们做过,而且是电池的,你不需要拉跟线,不然线怎么办?但是这个确实有牺牲的,这个就是说,只能是比方说你要哪个波长,我事先给你条定好,单一的波长,然后重复频率,也解决1赫兹,一秒钟打一下。这是关于便携。但我们在同样情况下尽量做得小一些,比方说便携的做不到,就做到桌面,就尽可能小。

维护的话,我们两方面做工作,一方面把激光器做得好一点,尽量少维护。一旦需要维护,做工程多年的理念,说点感慨,在座的很多老师都有这感受,没有保修期,合同上写一年也好,有时候让你写三年也好,哪有那个事儿?只要不扔掉,一个电话你就得马上去。工程的东西就这样,出去八年了,说对不起过保修期了,那哪行?也不可能像一般的,你先付我钱,那不行。我们明天要用了,你赶紧给我调一下,那我们马上就得飞过去。这时必须的,我们良好的态度,以军事的作风去维护,都没有问题。

这种二氧化碳,我们脉冲式的二氧化碳,可以做到2K,这是没有问题的。

这是第一个问题,我可能说得多了点。

关于第二,防撞的激光雷达,王老师说在雾天,防止撞车,这个我给总结一下,应该就是说开发新一代的防撞的雷达。因为我们电子所有这个优势,不仅有激光,还有微波。其实这个防撞的雷达说起来还蛮难的。我个人一点临时的想法,可能需要开发一个激光和微波联合的这样的一个雷达。因为激光和微波呀,各有利弊。微波的特点是在雾霾天,它穿透力特别好,受气候影响浅,这是微波的优点。但是微波也有缺点,它比较粗,能不能够达到防撞这个精度,可能很难说。激光正好反过来,它测量的精度比较高,但是它受气侯的影响很大,在真正的大雾霾天往往是无用武之地,至少性能会大幅度下降。所以呢,可能需要把这两者结合起来。这是电子所的优势,我们电子所既有微波,又有激光,可能做一个双体制的,就是微波和激光互相融合和互补,能解决这个问题,是一个思路。在这儿我就斗胆的说两句。

最后呢,林老师给我出的题目。我从林老师现在退休了还做的工作,想到了我们老一辈科学家做事的精细和认真,真的是值得我们一代一代学习的。他办这个沙龙,事先肯定看了大量的资料,做了大量准备。他事先看了我们所的网站,关注了我们激光这一块,然后给我提出来。今年我们所网站里有一个报道,就是激光这方面的一个主要的成果,我们搞了一台激光器,双路,快调谐的,这个跟王老师的大气探测相当有关联,也是用到差分雷达上了。这个应该说是我们五室今年最亮的成果了。这个激光器呢,可以输出很弱的线,可以达到最快的调谐时间,尤其是可以适应极恶劣的环境。我们在我国的大草原上,通过了各种残酷实验,有很多难度,我们通过了。总之这台激光器的性能,是工程化性能很好,可以完全做到可调谐,应该说是填补了国内的空白。

刚才王老师说的那些,我也觉得很可惜。确实,王老师若干年前费那么大劲找激光器,我若干年前费劲地做应用,都很苦恼,以后咱们多合作。我们现在做的激光器,用到大气探测,尤其是差分大气探测,是非常合适的。主要我们现在面对两个波段,都可以做到可调谐,而且都是很有特色的,一个是9到11微米的波段,还可以在技术手段上最多可以拓展到11.15微米左右,9到11.15微米左右,这是长波红外波段。还有一个波段,就是王老师提到的2.7微米左右,我们是用气体激光的方法,用氟化氢的激光器,也可以实现可调谐,也有很多条线,可以实现2.7微米。这个波段本来是大气不透的,说老实话,多数人认为这激光器没用。因为我们在实验室里做实验也是这样,把那个能量探头,离激光输出口稍微远一点,这个能量就衰减掉了,一米的距离就可以把它的能量都吃掉,好像这大气里头没用了。但有时候有一些独特的应用。所以就是至少在这两个波段,我们都是可以做到很好的可调谐。我们的激光器是填补了空白的。开始是国内的著名高校在做,有困难,后来我们加入过来,把这个事儿解决了

王柏懿:我问另外一个问题,我个人的偏好是激光推进。你们还依然在做光船的事情吗?我不知道光帆和光船是不是一码事?你们的激光推进,将来(或者预期)能够推到多大的质量?还是只能是在小卫星的小范围里来做这个事情?特别是今年4月份,霍金和俄罗斯的一个大咖,他们合起来搞了一个“突破摄星”计划,说要用一个非常大的激光的阵列把光帆发射到太空。你们电子所对这一块,有什么想法或者将来还接着做吗?这是我的问题。

谭荣清:我们电子所做做激光推进的话,主要还是基于我们有一个比较适宜做激光推进的激光器,就是我重点汇报的这个脉冲的二氧化碳激光器,从这儿开始呢,逐步起步。我们是从2002年开始做一些激光推进的工作。应该说这个工作没有得到太多的国家层面的项目的支持,所以呢,实话实说,这几年做的工作已经逐渐少,做也基本上在纯研究的范围,带着研究生做一些工作。我想这个也是有原因的,因为激光推进这个事儿,如果真搞的话,投资量很大,国家也很难短时间下决心做这个事情,确实也有一段距离。

刚才老师提到这个光帆,实际上光帆广义上来说可能算激光推进,但狭义上来说就不叫激光推进了,光帆也叫太阳帆,用的是光子的动量。就是说我们如果是回忆一下讲狭义相对轮、广义相对轮、爱因斯坦的观点,就是即使光,它是光子,它也携带动量的,一束光照到一个镜面上被反射回来,实际上会给镜面一个非常非常小的一个压力了,那个就可以叫光压,那个压力非常小。但是呢,如果把光帆做得很大很大,又在太空中的话,没有什么大气阻力的话,这个构想,实际上是专门有人研究做光帆的,这个尤其在深空推进。比方说离地球很远很远了,各方面能量都很难输出过去了,它用一个巨大的光帆来推动,是那个。

这个跟我们搞的激光推进是亲戚,但是不是一个。我们的激光推进还是用激光能量转化为推动的力量,转化为飞船的动量。转化的方法主要有两种,一种是前边我说的把激光聚焦之后产生爆轰波,就是击穿大气,击穿大气的话,大家可以想像,这个应用需要在大气层内,所以只适用于低轨卫星的发射。离大气层远了,50公里以上就逐渐失去作用了。还有一种叫火箭式推进,刚才说的这种叫吸气式推进,还有一种是火箭式推进,激光打到物质上,物质被激光烧蚀了,产生一喷射,这有点像现代的化学火箭,只不过这个不是靠火箭的燃烧,不是靠燃料的燃烧,而是靠激光打上它,让它喷射出来。这种呢,叫烧蚀方式,这种烧蚀方式是可以到深空中去使用的,可以脱离大气层,这两种都可以使用。

当前激光推进离实用确实有段距离,有个估算,如果把十公斤级的一个飞行物,推到近地轨道上去,需要百万瓦量级的激光器,所以这个激光器是很大的。所以直接用它去发射卫星,哪怕是发射一个小卫星,也是还有很长的路要走,离实用还是有一段距离的。现在离实用比较近的,我认为两个方面:一个是激光清除碎片,清除碎片这个东西它不同于说发射一个卫星入轨,它不需要整个的过程从这个地球上一直把它推到一个近地轨道上去,它只是改变空间碎片的轨道,改变轨道还可以通过重复,比方说对于比较难清除的碎片,我地球上建三到五个站,每次经过打100个脉冲到200个脉冲,下一站再按照合理的方式作用它,可能经过一天两天清除掉。用这种方式我可以同时作用于多个碎片,哪个碎片来了我就作用哪个碎片,就是现实度更高一点。这种清除碎片,还有一种方式就更容易一点,可以把激光器装到宇宙飞船上去,装到卫星上去,就是空对空,太空对太空,天基的。可以距离得比较近,据报道,日本已经把一个激光器装到他们的一个卫星上面去,然后用于清除接近它的碎片,已经有这方面的实验。这是一方面。另一方面,是所谓微推进,就是把激光器直接装到卫星上去调整卫星的姿态,或者是做卫星的轨道维持,这个需要的功率和能量,量级也比较小,这个离现实比较近,这两方面是可以早的走到应用里去的。

王柏懿:所以你们这个光船更接近他们那个“突破摄星”方案,完全用激光来推进。他们已经宣布了,要开始做这个事情。但是我相信,这会是很难的一项任务,要花很长的时间才能实现。

王玉富:很高兴能够到这儿来参加这样一个沙龙,对你们工作感到非常敬佩。很巧,我15年前也接触到这方面的工作,很遗憾的是这个事情没有做到底。当时怎么个情况呢?就是长春光机所通过中介找到我。说因为激光器除激光头本身,对电脉冲的要求也非常严格,希望电脉冲也是越好越好。他们给了这样的一个指标,就是说电脉冲的峰值功率是20兆瓦,连续功率是100千瓦。

上海光机所造的是3个立方米,就问我能做到什么程度,我设计计算后说我0.5立方米这个东西做下来,并且还能做到你做不到的。什么东西呢?因为谐波问题非常重要的,因为它就是一个电的小局域网,相对比较小,功率非常有限的局域网,你谐波大了以后,发电机无法承受。他说那你做好设计吧,中介跟我说,让我做了一个设计,设计结果确实做到这样一个连续功率为100千瓦、峰值20兆瓦的电脉冲,适应它的需求。

后来中介又提出了一系列的个人要求吧,当时我也感觉,这个要求不太合理,但是我也很想做,但最终双方没有达到协议,我们没有结合。所以这块,如果有机会的话,很希望电子所能不能做一些这方面的事儿。我们做无谐波高能量的,世界最好的电脉冲,你们做最好的激光头,我们把中国的激光器做到超越美国。可能我的野心太大了,但我直接说,有这样一种可能性,因为谐波对局域网的局域设备,特别是脉冲功率大,连续功率本身100千瓦也不小的情况之下,这一块,我们跟世界的根本标准还是有差别的,这是说的第一个问题。

第二个,很有意思的事儿,现在国际上有个ITER项目,最早是美国、苏联几个国家,后来中国也加入了,就是核聚变项目,通过(托克马克环)来实现核聚变。前不两天吧,我们李克强和比尔盖茨做了一个很有意义的会见,比尔盖茨自己有六个能源公司,他跑过来好几次,说要做好核聚变装置。他认为,应该做一个预热能源,可以实现能源价格的降低。美国尽管在这个(托克马克环)ITER项目上也投了很多钱。我们也投了是300亿或是500亿,ITER项目(托克马克环)还是被延迟的。它作为世界级的,除了空间站以外,全世界最大的科研项目。我自己也有幸参与了它,研制了高精度磁控溅射电源,用于真空腔体去除残余分子。我们国内做得比较早,也比较好的,一个是成都原子能能所,现在就是合肥的那个超导托克马克,也是做得是相当相当不错了。当时美国两个项目最有价值,一个是(激光受控核聚变),另外一个是钛酸钡超级电容,这两项,这五年以来都无声无息了,到底是怎么个情况?我后面观察,没有了。到底是失败了?还是美国进步了,它成功了,把它藏起来了?这个东西非常重要,我自己也一直在关注,也希望我们科学院能不能把这个搞清楚,到底能不能取代电池?激光束核聚变,到底能不能代替现在的(托克马克环)?最近又有新消息来了,说美国的核聚变有重大进展。这些东西本身,其实我们科学家应该关心,应该搞清楚,到底应不应该搞?能不能弯道超车?我就说这么两个问题。

孙殿义:原理阶段很开放了,希望吸收全世界的智慧。

:感谢谭主任在激光新器件和应用技术上做了非常精彩的报告,也了解到国内外科技进展的情况。我想问一个问题,咱们所不仅研制出一系列新的器件,另外在应用领域里面,也踏踏实实的做了不少工作,比如说激光合成孔径雷达。前些日子,丁副所长说电子所已成功研制出光子合成孔径雷达样机,我觉得这与激光合成孔径雷达可能不是一件事儿。我想问问谭主任,这两个雷达在各自的应用领域里,技术性能上,各自有什么特点?各自的发展潜力都怎么样?另外,据说那个光子雷达,是用动目标来验证的,因为合成孔径要求发射源和目标之间必须有相对运动,而我们的成像目标是固定的,是否通过让雷达运动来实现验证?

谭荣清:我简单回答两句,我们的实验,激光雷达,的确是放在飞机上,飞机是飞行的,所以是有相对运动的,靶是不动的,这样就形成合成孔径。

至于最近电子所光子雷达方面取得很大的成就,那主要是一室同志做的。我就不说这个光子雷达了,这个激光雷达我也就只知道皮毛,也不便发表太多观点,我只是说它还是两种雷达。我认为光子雷达是把光子学的一些手段和原理,应用到微波雷达的系统当中去,提高微波雷达的性能,所以叫光子雷达,我是这么认为的,这是我对这个光子雷达的肤浅的认识。

孙殿义:微波光子雷达,它的本质还是微波的。那么它在处理上,杨老师可能了解,它是采用了光子的手段,所以说处理数据的能力效率更快,速度更高,上百倍,对吧。激光雷达呢,它用的手段不一样,一个是用光,一个是用微波,但都是电磁波。

刘国诠:非常高兴,非常感谢谭先生的报告,使我得到了一次学习激光新知识和信息的机会。我是化学所的,我们在过去也稍微接触过一点激光,在90年代的时候,为了检测极其微量的物质,建立起一套激光诱导荧光装置,这套装置用的激光器是YAG激光器。我们用这套装置可观测到三十几个分子,即检测限三十几个分子,而用普通的光的话,仅能达到10的负12次方克分子,当然这已经是很高很高灵敏度了。当时非常高兴,准备好好干一干。但没过多久,YAG激光器就坏了,它寿命很短,又很贵。当时就在想,要是有一种光谱很宽的,还带紫外波段的激光器该有多好。而刚才介绍的可调谐的激光器,是不是也就几条固定的线?

谭荣清:100条左右,谱线。

刘国诠:覆盖的范围是多少?

谭荣清:9到11微米。红外的。

刘国诠:因为我们搞分析化学的,基本上在紫外,最多是可见,不知道有没有这样子的,能使得谱线条数多一点?

谭荣清:有。

刘国诠:那看来我们就可把这样一种高大上的光源,用到分析化学上,如果可调谐的话,应该是非常好的,谢谢谭先生的介绍。

谭荣清:我倒有一个小问题,刚才王老师说搞电源指标挺好的,那你电压是多少?

王玉富:我们有指标,我回头给你,现在记不清楚了,因为15年前的事儿了。

胡万明:感谢谭主任的报告,我听了之后,对谭主任这个激光气体感兴趣,跟市场对接比较多,跟企业对接,下一步跟谭总在激光气体这块再做点交流,谢谢。

方永绥:我补充一点意见。刚才的报告和发言都非常精彩,但我想到另外一个层次的问题,就是我们今天的会是老科协的会,老科协的沙龙,提问的老专家、老学长都已经退休了,做报告的是在职的,我觉得这样很好,我们交流了科技方面的信息,使大家感到都有好处。其实呢,这给我们一个很大的启发,这种沙龙应该多搞,起码就是在座的人能够受益。可是更大的问题,现在在职的人,他们怎么来交流他们的科技成果和科技思想呢?这不是我们老科协延伸下去就能够解决的问题。我觉得整个科学院,包括刚才大气所、化学所的同志,还有其它所的同志,对电子所的了解就不是很够。电子所搞出来的激光器,在科学院范围里头也了解不够。因为刚才比如说王老师和谭主任,王老师我找了你半天了,谭主任也说我也想到我这个激光器用在哪。其实这种现象,说明我们科学院,缺乏一个平台,就是“互联网+”。在科学院的各个研究所之间,应该有这么一个平台,使需求双方能很快速地交流现有的成果,有的单位需要某种东西,有的单位我搞出来东西,我要到什么地方可以用。科学院的这个“互联网+”搞得不够好。其实这些东西挂到网上,立马就看到了,不是我们退休的人看到,是在职的人看到。我觉得就是说今天有李局长在嘛,科学院的层面,我不知道啊,因为我也退休了,我不知道科学院各所之间,一百多个单位,内部有没有充分交流的机制?而且是最现代化的频道,就是互联网,我们可以搞个内部网,专门交流能够交流的东西,有的军工的,不发布没关系。马云干什么事儿?无非就是把全国各地的中小企业的需求都在一个平台上沟通起来了,那互联网的本质就是最快速的、最便捷的、最少成本的信息沟通,不光是在国内发挥作用,美国中小企业也拉进来,第三世界的中小企业拉进来,促成了好多的交流,物质的交流、信息的交流、成果的交流、产品的交流,都有啊。其实一样的,本质上这个事情都是一样的,我需要某种激光器,对不对?当然更大的范围,还有好多激光所的,还有比谭老师能够提供的更好的,那么我们现在都是10年以前,20年以前退休的人,讲的老故事。那么现在还有好多新故事啊,在职的,第一线的,跟国家需求更紧的一些问题、一些需求,还有咱们新的供给,都有啊。

林世昌:你说到点子上了,我们的沙龙就是这个目的,开展交流。今天为什么请速记员来?速记内容要上网的。为什么请谭老师写文章,也是上网的。PPT不宜上网,但文章上网。

方永绥:双方交流的一个很成功的一个活动。但是这样的活动,就是对在职的人,应该是每天每时每刻都有,电脑就解决问题了。但是我不知道,因为我退休了,不知道院里有没有一个很强的组织,就是做这个事儿。

杨汝良:我讲几点看法。第一,电子所二氧化碳气体激光的发展有自己的特色。最初在万重怡研究员领导下已经做了很好的工作。与长春光机所在气体激光方面技术可比。近二十多年来,谭荣清研究员领导的研究室,瞄准国家需求,坚持不懈,得到很好的发展,十分不容易。但从总的来看,规模不大,还有发展余地。希望在应用方面下工夫,寻求新的发展方向。第二,合成孔径雷达。电子所先后发展了L、S、C、X、Ku、Ka等微波频段的合成孔径雷达系统,得到了广泛的应用。光的方面正在部署研究太赫兹合成孔径雷达、激光合成孔径雷达、微波光子合成孔径雷达。微波光子雷达使用光的方法产生宽带光信号,将光信号变成微波信号放大后由天线发射,接收信号用光子采样,数字信号处理,并采用光延迟技术补偿宽带天线的真延迟等,是一种新颖的雷达技术。激光合成孔径雷达有很多技术难点需要攻关,如激光相干源、信号补偿和处理技术等。

谭荣清:刚才书记给我布置了任务,我就补一两句关于激光核聚变的事儿。因为刚才书记回头问我一下,让我稍微讲一两句。 托克马克也好,激光核聚变也好,这个目的是解决人类未来100年以后的能源的问题,而且要从根本上解决人类的能源问题,这是这个大调子是这样。实际上一直在做的,我简短一点,美国人的ICF,惯性约束核聚变,就是所谓我们通俗的就是激光核聚变。这个ICF,美国一直在做,最新的成果是做到了192路激光同时输出,然后最后把这192路激光聚焦后打到靶上去,总能量1.8个兆焦,兆是百万,所以是180万焦耳的能量,打到靶上去。这是美国人做的水平,他们做的激光器装置占据三个足球场那么大。中国也在做,他们追求,最后要产生能量的正增益,就是我投入的所有的能量,为了使激光器运转起来各方面的能量,最后和发出来的电要能达到一个出来的多进去得少,这个好像还在于临界点,要突破这个,产生正增益,还有一些工作要做。总之这个事儿呢,意义很重大,但技术难度非常高,应该说中国也好美国也好,都在这方面努力,但可能也不能急功近利。

林世昌:今天沙龙开得很热烈,收获很大。谭荣清研究员做了精彩的报告,诸位积极发言,提了好多建议。刚才我们所孙书记作了总结,很鼓舞人心的讲话。时间关系,我们今天就到这儿,谢谢大家。

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