ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-14

Технические особенности мощных лазеров

HF(DF) - НХЛ

HF(DF) - НХЛ основан на прямом преобразовании химической энергии в энергию лазерного излучения при быстром смешении сверхзвуковых химически активных потоков окислителя (содержащего атомарный фтор, разбавленный в основном нейтральным газом, преимущественно гелием) и горючего (дейтерия).

В результате протекания этих процессов в активной среде лазера формируется существенно неравновесное, по отношению к поступательной температуре, распределение молекул HF(DF) по колебательным уровням. Химическая реакция накачки является необратимым процессом, т. е. отработанные продукты реакции должны непрерывно удаляться из газодинамического тракта. Это практически исключает возможность реализации замкнутого

режима работы HF(DF) - НХЛ Хотя скорость реакции накачки весьма велика, из-за малой скорости смешения сверхзвуковых потоков и, в особенности, из-за высокой скорости колебательнопоступательной релаксации возбужденных молекул, уровень рабочих давлений

в активной среде HF(DF) – НХЛ достаточно низок. Как правило, он не превышает 5–10 торр. С ростом

давления уменьшается ширина лазерной зоны, и это обстоятельство также лимитирует рабочее давление активной среды.

Технические особенности мощных лазеров

Твердотельные лазеры (ТТЛ):

Активная среда твердотельного лазера (ТТЛ) представляет собой кристалл или аморфный диэлектрик (корунд Al2O3, иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12, стекло), содержащий наряду с основными элементами матрицы ионы примеси-активатора (Cr3+, Nd3+, Sm3+, Ni3+, Fr3+, и др.), в которых создается инверсная населенность, и которые обеспечивают излучение света.

В качестве активных частиц ТТЛ наиболее часто ионы неодима в стеклянной или кристаллической матрице. Важное преимущество стеклянной матрицы заключается в возможности изготовления активных элементов больших размеров. В настоящее время в лазерной технике используются цилиндрические и прямоугольные элементы с поперечными размерами 5 - 10 см и длиной до 2 м, а также – диски с диаметром до 50 см.

высокому коэффициенту теплопроводности.

Создание инверсной населенности в ТТЛ осуществляется с помощью оптической накачки. Излучение газоразрядной лампы или диодов накачки в диапазоне длин волн от 350 до 900 нм поглощается ионами Nd3+. Длина волны излучения генерации неодимового лазера

=1,06 мкм.

Технические особенности мощных лазеров

Волоконные лазеры (ВЛ):

Первые волоконные лазеры (ВЛ) были созданы на кварцевых волокнах, легированных ионами неодима. В настоящее время генерация получена в кварцевых волокнах, легированных неодимом Nd3+, эрбием Er3+, иттербием Yb3+, туллием Tm3+, празеодимом Pr3+. Однако наиболее распространены волоконные лазеры, легированные Nd3+ и Er3+.

Пучок накачки пропускается продольно вдоль длины волокна и может быть направлен непосредственно в саму сердцевину, либо через внешнюю оболочку, окружающую эту сердцевину.

Такая

геометрия

позволяет

достигать

очень

высоких

мощностей из-за малой

чувствительности

термическим искажениям.

В волокне можно получить очень высокие значения коэффициентов

усиления при умеренных непрерывных мощностях накачки. Это обеспечивает основу применения усилителя на основе волокна, активированного Er3+ (EDFA) в системах оптической связи, работающих на длине волны ~ 1.5 мкм

Военные применения

Противодействие информационным системам :

Поскольку подавляющая доля информации сегодня собирается и передается по оптическим каналам, то важной целью лазерных систем должно стать – активное противодействие новейшим управляемым системам вооружений (БПЛА, крылатые ракеты, пилотируемые аппараты) путем высокоэнергетического оптического воздействия на их чувствительные элементы.

Наиболее перспективными носителями таких систем в настоящее время считаются т.н. микро- и мини-БПЛА, имеющие взлетный вес не более 4 кг. Это позволяет, с одной стороны, осуществлять пуск «с рук», силами одного человека, с другой стороны, такой аппарат способен нести достаточно серьезное разведывательное и навигационное оборудование.

Таковы американский ДПЛА «Pointer» фирмы AeroVironment Inc., который считается родоначальником семейства мини-ДПЛА, французский аппарат «Azimuth», харьковский «Аист», постановщик помех «Амеба», израильский «Skylark», американский «Dragon Eye» и др. У таких аппаратов масса полезной нагрузки составляет до 2 кг, размах крыльев 2-2.5 м, аэродинамическая нагрузка на крыло около 40 г/дм2, скорость – 30…80 км/час, продолжительность полета около 1 часа и дальность около 10 км

Военные применения

Противодействие информационным системам :

«Тяжелые» БПЛА предназначены для решения более крупных задач, включая стратегическую разведку. Действительно, и «Predator» и «Global Hawk» могут летать на высотах до 10 км, имея существенно большую дальность полета. Это позволят получать с их помощью весь спектр видимой информации на максимальную глубину территории противника.

Особую опасность представляет комбинирование различных систем в группировки, способны работать, обмениваясь информацией внутри группы, перераспределяя локальные задачи, самостоятельно выбирая лидера и резервируя накопленные данные. Такая группа БПЛА будет чрезвычайно устойчива к воздействию обычных оборонительных зенитных средств, даже при значительных численных потерях сохраняя способность выполнить общую задачу. Именно такие цели ставятся при разработке БПЛА второго и третьего поколения.

С точки зрения устойчивости к воздействию мощного лазерного излучения объекты типа мини-БПЛА относятся к т.н. «мягким» целям по классификации. Это означает, что для их по ражения достаточно создать плотность мощности порядка 100 Вт/см2 или менее.

Военные применения

Противодействие информационным системам :

Таким образом, лазерное излучение с плотностью мощности 40…50 Вт/см2, воздействующее на стеклопластиковую оболочку БПЛА толщиной 0.5…1 мм в течение 1 с, приводит к ее разрушению.

В действительности в конструкции БПЛА применяются и более тонкие стенки. Так, при весе мини-БПЛА 2 кг и нагрузке на крыло 40 г/дм2 площадь поверхности крыльев составляет не менее 50 дм2. Если считать, что вес планера составляет примерно половину от общего веса БПЛА, то средняя толщина стеклопластиковой стенки составляет 0.57 мм. В менее нагруженных участках конструкции, по-видимому, применяются более тонкие стенки. Однако разрушение даже небольшого участка поверхности крыльев приводит к существенному изменению аэродинамических характеристик планера и к потере управляемости.

Поэтому предельная дальность уничтожения БПЛА мощным лазерным излучением определяется минимально достаточной плотностью мощности около 50 Вт/см2.

Для средних атмосферных условий и лазера мощностью 25 кВт максимальная дальность поражения БПЛА, для которой I=50 Вт/см2, составляет около 7 км. На вертикальных трассах ситуация с прохождением по турбулентной поглощающей атмосферной трассе существенно лучше. Поэтому высотные аппараты типа Global Hawk или Predator могут быть уверенно уничтожены лазерными средствами вплоть до высот 30 км.

Положительной с технической точки зрения является и сравнительно умеренная скорость перемещения БПЛА на подлете и в районе театра военных действий (ТВД). Это в определенной мере связано с реальными возможности систем обработки информации и принятия решений. Но технологически подобные же системы обеспечивают управление лазерным лучом лазера, поэтому «технологический баланс» сохраняется.

Военные применения

Противодействие информационным системам :

Не менее, (если не много более!) привлекательны «космические систем. Минимальная длина волны излучения, в несколько раз уменьшает размеры требуемой оптики. Это означает, что одно -полутора метровые телескопы ТТЛ или еще более перспективные фазированные решетки, обеспечат необходимые для функционального поражения плотности энергии. При этом следует иметь ввиду, что полутораметровые телескопы уже -работают в космосе.

Даже, установленный на земле, такой телескоп обеспечит уверенное функциональное поражение космических объектов до высот в 5-6 тыс. км, а это 90% процентов военных и разведывательных спутников при сравнительно умеренной (в сотню киловатт) мощности лазера. Такой ущерб фактически

означает вывод из строя всей военно-космической группировки, что для сильно зависимых вооруженных сил может означать неприемлемо высокий ущерб.

При этом собственная уязвимость лазерных систем сравнительно невысока. Это определяется высокой избирательностью лазерного луча. Лазерный луч в чистой атмосфере почти невозможно «засечь» со стороны, как нельзя видеть солнечный зайчик, до тех пор, пока он не соприкоснется с поверхностью. Тогда определить источник излучения можно, только находясь в его пятне. А это слишком поздно…

Военные применения

Противодействие терроризму :

Процессы разрушения материалов лазерным излучением основаны на передаче энергии квантов света тепловым колебаниям решетки твердого тела, т. е. на термическом действии света. В общем случае эти процессы могут быть представлены следующими стадиями: поглощение света и последующая передача энергии внутрь тела; нагревание материала без разрушения; изменение агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, сублимация, термодеструкция).

При падении пучка лазерного излучения на поверхность материала часть излучения отражается от нее, а часть проходит вглубь материала, поглощаясь в нем. Анализ конструкций мин и механизмов лазерного воздействия на

конструкционные материалы показывает, что мина может быть выведена из строя одним из следующих способов: разрушение стенки корпуса мины; разложение ВВ при нагревании; подрыв мины при нагревании детонатора.

Примером работы в этом направлении является проект ZEUS - мобильный комплекс для разминирования, представляющий компактный 2-киловатный волоконный лазер (ВЛ) со сканером наведения и фокусировки луча на объекты, находящиеся на расстояниях 25 -300 метров, размещаемый на автомобиле. Даже при ограниченной мощности система оказывается востребованной для решения конкретных задач в критических ситуациях. Увеличение мощности будет способствовать и уменьшению времени воздействия на цели, что часто оказывается исключительно важным для быстро развивающихся оперативных ситуаций. Кроме того, большие дистанции обеспечат безопасность самого лазера.

Военные применения

Лазерное оружие на ТВД :

Лазеры со средней мощностью в непрерывном или квазинепрерывном режиме более 100 квт могут быть полезным оружием на театре военных действий. С их помощью могут уничтожаться крупные низколетящие цели (самолеты, вертолеты), незащищенная наземная техника (грузовые автомобили, тягачи, транспортируемые системы вооружений), средства коммуникаций, а также, при определенных обстоятельствах, лазеры способны оказывать поражающее воздействие на живую силу противника. При установке лазерного оружия на воздушные носители сфера их применения на ТВД распространится на всю прифронтовую полосу, серьезно осложнив операции, связанные с перемещением, перегруппировкой и снабжением вооруженных сил противника. Однако

основными задачами таких тактических систем, вероятно, будет защита наиболее важных объектов ракетно-артиллерийских нападений при физическом

функциональном поражении высокоскоростных низколетящих целей.