国内外大功率半导体激光器的发展与应用


半导体激光器是采用半导体材料作为增益材料的一种激光器,也被称作激光二极管(Laser Diode,LD)。半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成,在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。


20世纪70年代以来,随着科技的进步和发展,各种相关技术不断被攻克和完善,人们对半导体激光器的应用也有了不同的要求。半导体激光器主要的发展方向有功率型半导体激光器和信息型半导体激光器。20世纪90年代初,随着半导体激光器泵浦固体激光器的应用,半导体激光器在输出光功率方面取得了质的飞跃,即输出光功率大大提高。国外方面,在20世纪90年代初就开始此项研究,已经取得很大进展,千瓦(kW)级别的大功率半导体激光器阵列已商业化生产并销售。国内方面,起步相对较晚,但是发展很快,已经研制出输出光功率为600W的大功率半导体激光器阵列。目前,商业化的大功率半导体激光器主要集中在780nm-1100nm的近红外波段。近红外波段的大功率半导体激光器作为固体激光器、光纤放大器以及光纤激光器的重要泵浦源之一,起着不可或缺的作用。 

半导体激光器具有体积小、寿命长、重量轻、结构简单、功率转换效率高等优点。半导体激光器依靠其优异的性能,不断地被用在社会生产的方方面面,其在军事领域的应用主要包括:

(1)武器级大功率激光器

美国在2009年1月实现了半导体激光器泵浦固体激光器105kW的输出,达到105kW功率的诺斯罗普·格鲁曼公司的激光器由7个15kW的Firestrike激光模组组成。在体积和重量上,已经缩小到13/30/9英寸,Firestrike单个模块重量400lb/181kg。这样的体积重量和性能已经具备实战能力,为战术激光武器的发展提供了新的方向。

激光武器主要由高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制发射系统组成。高能激光器是激光武器的核心,是实现激光武器的基础。美国始终将激光武器作为自己未来武器的发展方向,目前有3大重点激光发展计划:IFX计划、未来机载激光武器、反卫星计划。

(2)半导体激光制导

激光制导是以激光为信息载体,把导弹、炮弹或炸弹引向目标而实施精确打击的技术,采用激光目标指示方式或激光驾束导引方式实现弹体的轨迹控制。美国AGM-65E空地激光半主动制导导弹的命中精度达1m以内。激光制导炮弹的成本约为普通炮弹的5倍,效能是普通炮弹的40倍。激光制导武器在现代战争中拥有越来越重要的地位。

(3)半导体激光雷达

激光雷达是以激光为信息载体的雷达,具有高分辨率、强抗干扰能力、良好隐蔽性、难被截获、体积小、重量轻等优点。其抗干扰能力可以排除背景和地面杂波干扰,探测超低空目标与跟踪发射初级阶段的导弹和巡航导弹。半导体激光器的特点使得激光雷达更加适合车载、机载和星载。

(4)半导体激光测距

激光测距技术是军用激光装备的核心。激光测距机主要应用于炮兵测距、步兵测距、机载测距、坦克测距、舰载测距等,可实时测定运动目标,如导弹、飞机、航弹等及静止目标的距离。


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