[技術前沿]采用新型強化技術，實現(xiàn)高強度激光束
用光纖激光器擊毀無人機。
用射線槍擊毀無人機是光纖激光器的許多潛在應用之一。如今，一項新的研究表明，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以在保持較高光束質量的同時，將這些激光器的功率提高約一個數(shù)量級。
光纖激光器的名字源于使用發(fā)射激光的材料，它使用的材料是摻有鐿等稀土元素的光纖。光纖激光器最初用于工業(yè)切割和焊接，它能夠給予相當穩(wěn)定和高質量的高能量光束，在激光武器的現(xiàn)場試驗中發(fā)揮主導作用。
“高質量的光束能夠以高強度傳播很長的距離，或者使用透鏡聚焦到直徑很小的一個點?！痹撗芯康暮现?、莫森湖南澳大學的光學物理學家史蒂芬?沃倫-史密斯（Stephen Warren-Smith）說。
沃倫-史密斯說，激光武器的目標可能包括“遙遠的小物體，可能是無人機、迫擊炮、火箭等。防御性激光武器有可能以較低的成本和幾乎無限的（容量）快速消除威脅。這一點在廉價自主無人機數(shù)量激增的情況下尤為重要?！?/p>
強大的小型光纖激光器還有許多其他應用。基于光纖激光技術的最新進展，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）開始研究這些設備能否將功率無線傳輸數(shù)百公里。沃倫-史密斯說，其他潛在的應用還包括遙感、生產(chǎn)制造和科學研究。
取得更高功率的光纖激光器面臨的一個主要障礙是原子振動。在固體材料中，原子振動以量子晶格振動的形式傳播，被稱為聲子。
沃倫-史密斯說，當光纖中的激光功率足夠強時，聲子就會開始與光相互作用。這會導致光散射，不僅會限制到達目標的功率，還可能會損壞光源。
避免這種現(xiàn)象的一種方法是擴大光纖芯，但這會降低光的強度。不過，研究人員說，大的光纖芯通常能支持多種模式，即光波振動的不同模式。不同模式之間的干涉會導致出現(xiàn)光的隨機斑點，降低光束的質量。
因此，科學家們大多對僅有單模的光纖進行了實驗。另一方面，單模光纖本身也會造成許多挑戰(zhàn)。例如，有些單模光纖無法卷繞成緊湊的封裝，而且很容易過熱。有些單模光纖已被證明難以大規(guī)模生產(chǎn)?？傊?，“光纖激光器和放大器的輸出在過去幾十年里沒有顯著進步?！蔽謧?史密斯說。
在這項新的研究中，研究人員開發(fā)了一種使用多模光纖的新方法。這種新穎的策略幫助他們在不犧牲光束質量的情況下將光纖激光功率提高了3到9倍。新策略適用于陸續(xù)在光束和脈沖光束。
“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 嘗試的方法與人們不斷在嘗試的方法截然不同?！痹撗芯康暮现?、耶魯大學物理學家曹慧說。
曹慧說，在2019年的一次光子學會議上，她第一次分析到了高功率激光器在多模光纖中遇到的這個問題。她說，她認為仔細對進入光纖的光波前端整形，可能有助于克服這個問題。以往的研究表明，波前整形可以幫助控制光在材料中的行為方式，例如幫助光波更好地穿透人腦等生物組織。
“我與會上的幾個人聊過，他們不太相信我，因為我是這個領域的外行?！辈芑壅f，“所以我組建了一個研究團隊來研究這個項目?！?/p>
科學家們對進入標準多模光纖的光進行波前整形，他們說可以將輸出功率提高大約一個數(shù)量級，同時可以避免以前在光纖中出現(xiàn)的那些有害影響。他們指出，波前整形可以同時激發(fā)光纖中的許多不同模式，提高聲子與光相互作用的閾值。
“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 已經(jīng)能夠以一種非常精確的方式來控制光纖內(nèi)部的光，修復光束的質量?！蔽謧?史密斯說。
到現(xiàn)在為止，研究人員只表明這項新技術對無源光纖器件有效。沃倫-史密斯說，現(xiàn)在他們想看看它是否能在有源光纖中發(fā)揮作用，有源光纖旨在增強光在其中傳播的強度，這可形成更強大的激光。
“光在有源光纖中會產(chǎn)生額外的影響，但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 認為這對 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的方法來說不應該是一個大問題?！辈芑壅f。
科學家們在2023年11月的《自然?通訊》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。
作者：Charles Q. Choi
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