摘要：效率、可靠性和精确性对于航空航天、国防和安全领域的组件而言都是至关重要的特性，这往往实实在在地关乎生死。随着这些领域对日益复杂的通信、传感和瞄准系统的需求不断增加，激光通信、光束整形和自适应光学等光子技术正在为市场提供无与伦比的能力。

效率、可靠性和精确性对于航空航天、国防和安全领域的组件而言都是至关重要的特性，这往往实实在在地关乎生死。随着这些领域对日益复杂的通信、传感和瞄准系统的需求不断增加，激光通信、光束整形和自适应光学等光子技术正在为市场提供无与伦比的能力。

光子技术对于开发更紧凑、性能更高且功能更强的系统至关重要。在这场由Electro Optics首席运营官Mark Elliot主持、与Liquid Instruments公司合作举办的网络研讨会上，三位专家就此主题发表了看法，这三位专辑包括Cailabs的首席产品官兼副首席执行官Pu Jian、Liquid Instruments技术营销工程师Jason Ball和Leonardo UK先进瞄准能力主管Kenny McCormick，内容涉及效率和适应性对航空航天和国防应用的重要性，以及现代光子技术所能带来的改变。

激光定向能武器

McCormick参与了用于国防应用的高能激光（HEL）系统的研发工作，比如，英国的“龙火”（DragonFire）计划。他探索诸如光纤放大器这类激光源—其设计目的是将强烈光束聚焦到目标上，以破坏或中和目标—来研发激光定向能武器（LDEW），从而协助应对空中威胁并改进自卫系统。

英国政府最近宣布了‘龙火’（DragonFire）计划，该计划一直致力于建造并展示一种50KW的激光定向能武器。通过采用光谱组合或相干组合技术将单个激光源（如光纤放大器）组合起来，激光定向能武器本质上是在目标上形成一个强烈的聚光点，从而造成热损伤。

—— McCormick

光学瞄准系统带来的主要优势包括精度高，附带损害极小，以及拥有几乎无尽的弹药供应（仅需电力），这使得其在后勤保障方面极为便利，每次射击成本为10英镑。

相较于动能武器，它在作战上还有其他优势，比如能够暂时干扰、破坏和削弱威胁，甚至将其彻底摧毁。激光定向能武器技术已经问世多年，但尚未投入实际使用。不过，目前全球范围内有许多激光定向能武器的研发项目正在进行。

你还能秘密操作这种武器，因为肉眼看不到这种光，并且可以快速连续攻击多个目标。在美国，50KW的陆基系统已安装在‘Striker’战车上；四套配备光学致盲器的60KW高能激光器已在海上平台进行试验；美国的高能激光计划目前正在研发1MW的系统。

—— McCormick

波音公司的紧凑型激光武器系统是一种模块化的高能激光系统，旨在为应对无人机系统提供防空能力。

尽管 Leonardo公司在过去四年里已经能够证明“龙火”（DragonFire）的能力，例如在1km外实现对直径为1英镑硬币大小的目标的跟踪和瞄准精度，但该项目的研发仍然面临诸多挑战。

很多此类系统都在重复利用光学系统技术，所以它们并不真正适用于军事环境，不过有很多公司正在努力解决这一问题，其中光子集成电路（PICs）就是一个有助于提高激光定向能武器（LDEW）坚固性的增长领域。

—— McCormick

高功率激光器的热管理也是一个重大的技术挑战。激光定向能武器系统的功率效率约为30%～35%，这意味着需要输入大量电力，同时还需要大量冷却剂，因为控制这些系统产生的废热对其功能和使用寿命至关重要。

McCormick的团队专注于提升激光系统的功率并改善其运行性能，这包括对下一代光子技术持续开展研究，如先进光学元件、自由曲面光学元件、涂层、高精度变焦成像系统、光纤激光器、相干波束合成器和光学隔离器等。

波束整形

Cailabs公司正在探索一项可能有助于克服这些挑战的技术。光子学100强荣誉获得者Pu Jian领导该公司开发诸如多平面光转换（MPLC）等开创性的波束整形技术，以推动航空航天和国防、电信以及工业激光加工领域的应用，并利用光子学解决一些全球最复杂的技术挑战。

对于航空航天和国防领域的光子学应用而言，波束质量和波束形状控制至关重要，这能够实现高功率光源、精确的波束传播和最佳探测，即使存在湍流的情况下也能如此。光子学在广泛的航空航天和国防应用中无处不在。通信、传感、测距、对抗措施和定向能武器等领域都是使用激光的具体行业示例，这些应用中的许多都需要使用自由空间波束，但这也会带来独特的挑战。

—— Pu Jian

在发射阶段需要极高的波束质量；在长距离传输过程中保持波束质量需要对波束形状和传播进行精确控制；接收端也需要优化的信噪比来保证质量。

为应对这些多阶段的挑战，Cailabs公司研发了源自量子光学研究的多平面光转换（MPLC）技术。MPLC通过一系列空间相位剖面，利用带纹理的透镜对单个或多个波束进行非常复杂的波束整形。这种技术无固有损耗且无活动部件，是一种被动光学技术，可在较宽的波长范围（紫外线到中红外）内工作，并且能够处理高功率水平（最高可达60KW）。

由于能够控制波束形状，MPLC技术在三个不同国防应用领域特别有用：定向能武器、激光通信和对抗措施。

定向能武器基本上是一种无弹药的武器，通过高度聚焦的能量来破坏目标。无人机数量的增加以及先进激光源技术的发展增加了这类武器的价值。定向能武器面临的挑战在于，军事应用可能需要数百千瓦的功率来产生特定波长的强光源，而市场上现有的激光源对于这类应用并不适用，要么体积庞大，要么光学效率低或波束质量差。

—— Pu Jian

红外对抗与激光通信

Cailabs公司的解决方案是“波束合成”，其原理是将多个低功率、高效率的激光器合并成一个强大的光源。利用MPLC技术，Cailabs公司能够在确保波束质量的同时进行波束合成，通过对多个受控输入波束进行排列，产生高质量的高斯波束。采用这种方法，Cailabs公司实现了80%的合成效率，功率可达16KW。

定向红外对抗措施的思路不是摧毁目标，而是干扰红外导弹导引头。自寻的导弹配备有成像系统，帮助它们区分目标和诱饵。干扰导弹导引头的一种方法是使相机饱和，使其无法找到目标。”

然而，由于所需波长（4～5μm）、需要将组件集成到飞机上的紧凑外形以及处理大气传播等因素，实现相机饱和可能很困难。量子级联激光器对这类应用很有用，因为它们体积小巧，能在4～5μm波长处发光，但功率仅约为2W。

MPLC技术在这里也能发挥作用，它能够实现非相干波束合成以优化多模输出波束，在最小发散的情况下实现最大功率。通过组合八个量子级联激光器，Cailabs公司已证明可实现80%的效率，在M²值低于3.5的情况下提供高达10W瓦的输出功率。

自由空间光通信对于卫星通信来说前景非常广阔。目前，这些通信大多采用射频方式，但与射频相比，激光通信有三个主要优势: 一是速度，可以实现超过100Gbit/s的极高数据速率；二是安全性，被探测和截获的概率远低于射频；三是无需许可证。然而，问题在于大气湍流。

当你将完美的高斯波束发送穿过大气层时，随着时间推移它会被完全扭曲，导致信号衰落和丢失。MPLC方法通过自适应光学来消除大气的影响，以高信噪比校正湍流波束。我们利用光的形状来分析波束并控制波束，然后将这些形状重新组合到单模光纤中。

—— Pu Jian

实现测量解决方案的可重构性

Jason Ball在基于现场可编程门阵列（FPGA）的测试和测量系统方面拥有专业知识，他为精密光学、相位测量和激光稳定化开发了创新解决方案，这些方案源自Liquid Instruments 公司的“片上仪器技术”。

对于航空航天和国防应用中的精密光学和原子钟等领域来说，精确的相位测量至关重要，先进的光子学技术能够满足这些领域不断变化的需求。

光子学技术通过精确测量和控制方面的进步正在革新许多行业，传统的测试和测量设置通常需要示波器、频谱分析仪和波形发生器等独立仪器，每种仪器都有固定的功能，而且需要繁琐的手动集成。

虽然像PXI卡这样的模块化系统通过整合硬件有所改进，但它们“受限于设备上实际的物理硬件”。Liquid Instruments 将模块化理念更进一步，提出“如果用像FPGA这样可重构的东西取代硬件，并使软件模块化会怎样？”

Liquid Instruments公司的Moku系列用基于FPGA的仪器取代了传统硬件，允许用户直接在设备上加载和配置所需的特定工具。

它能够随着时间推移进行升级和演进，以满足实验不断变化的需求，在实验室设置中简化控制和集成过程，MoKu平台提供了一套标准的台式仪器，包括频谱分析仪、示波器和波形发生器，以及更先进的专门用于精确相位测量的仪器，如锁相放大器、时频分析仪和相位计。

基于引力波探测的相位计利用“锁相环（PLL）锁定输入信号，以微周期精度测量相位、频率和幅度”，并克服了诸如频率漂移和相位缠绕等常见振荡器问题。

测量相位极其困难。每个振荡器都有频率漂移，相位缠绕可能限制检测范围，而且任何振荡系统都存在短期和长期不稳定性。

在这些方面，相位计因其能够进行高精度相位测量而脱颖而出，这在航空航天和国防应用（如原子钟、精密光学和相控阵系统）中是一项关键要求。

MoKu平台的FPGA可分区运行多个工具，允许用户“同时部署多达四个仪器——或多个相同仪器的副本”。全数字连接简化了操作过程，仪器之间无需连接器或适配器。这意味着“不会出现插入损耗或相位偏移，并且减少了物理占用空间。

—— Jason Ball

在准确性和适应性尤为重要的航空航天和国防应用中，使用单一平台所带来的精度、多功能性和效率至关重要。主要应用场景包括精密光学领域，精确的相位测量可用于干涉测量、激光稳定和光通信；原子钟领域，检测微小相位变化的能力有助于开发和维护精确的计时系统；相控阵领域，可重构仪器能够精确控制信号的相位和幅度，用于先进的雷达和通信技术 。

（资料来源：www.electrooptics.com）

来自：红外光学

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来源：江苏激光联盟