Прогресс, как известно, не остановить! 16-го мая этого года исполнилось 60 лет с тех пор, как T. Мейман (США) запустил первый твердотельный лазер (рис.1).
 |
| Рис.1. Теодор Мейман - создатель первого в мире лазера на рубине. |
| Источник: https://www.laserfocusworld.com/ |
Активным телом в этом великом по своему значению устройстве служил рубиновый стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки от ламп фотовспышки. Все, казалось бы, буднично и просто, как и многое великое другое в этом мире. Прошло время и вот, в недавнем докладе DARPA уже говорится, и это совершенно справедливо, “о глобальном изменении «правил игры» после широкого распространения «оружия направленной энергии», которое превратит традиционные символы военной мощи в устаревший хлам на уровне пушечных ядер и кавалерии”.
Для сравнения стратегическая авиация вышла на весьма приличный уровень за 110 лет. Так что у стратегического лазерного оружия (ЛО) есть еще в запасе 50 лет. Но, в действительности, его создание сможет произойти гораздо быстрее, это уже понятно из динамики событий последнего времени. Есть много различных сред для создания эффективного ЛО.
 |
| Рис.2 Экспериментальная многолучевая лазерная система на неодимовом стекле «Омега» с энергией импульса 10 МДж (96 модулей по 100 КДж) (П.В. Зарубин. Из истории создания высокоэнергетических лазеров в СССР). |
| Источник: https://docplayer.ru/ |
Мировая лазерная наука начала свое восхождение к стратегическому ЛО с твердотельных лазеров на стекле (рис.2,3) и, похоже, закончит именно твердым телом при поиске конструкций с минимальным весовым фактором (кг/кВт), важным для мобильных применений высокоэнергетических лазерных комплексов для гражданских и военных применений.
 |
| Рис.3 Первая в мире лазерная установка на неодимовом стекле со средней мощностью ≥ 100 кВт. (П.В. Зарубин. Из истории создания высокоэнергетических лазеров в СССР). |
| Источник: https://docplayer.ru/ |
Сравнение весового фактора для газодинамического лазера (GDL), электроразрядного лазера, химического лазера: кислород-йодного (COIL) и фтор-водородного и фтор-дейтериевого (HF/DF), лазера на парах щелочных металлов (DPAL) с аналогичным отношением для нового поколения твердотельных лазеров на волокнах и керамике говорит о безусловном приоритете последних. Достижение ими значения весового фактора в 5 кг / кВт позволяет уверенно говорить об оснащении практически всей авиации, всего подвижного состава поля боя и средств морского базирования тактическим, а в перспективе и стратегическим ЛО! Для всех перечисленных выше лазерных систем, уходящих с дистанции, ведущей к эффективному тактическому и стратегическому ЛО. весовой фактор оказывается значительно больше. Подобная судьба на этой дистанции, к сожалению, уготована и твердотельным лазерным системам на стержнях и на слэбах (Рис.4).
 |
| Рис.4 Высокомощный твердотельный лазер, состоящий из семи лазерных усилителей на слэбах мощностью порядка 15 киловатт каждый, что в сумме и даёт 105,5 кВт. (Northrop Grumman). |
| Источник: https://news.northropgrumman.com/ |
Твердотельные технологии в мире вышли на уровень зрелости, позволяющий создание требуемого по мощности тактического ЛО с приемлемыми весами и габаритами. При оценке лазерных технологий сегодня ключевым критерием стал весовой фактор, позволяющий трезво судить о применимости комплекса, как оружия мобильного. Для волоконных и дисковых тактических комплексов ЛО (дальность до 100 км) он достиг величины - 5кг/кВт. Перечисленные выше комплексы на основе хорошо известных лазерных систем, от которых США уже твердо отказались или отказываются ушли в прошлое, т.к. стало понятно, что легкое и компактное ЛО на их основе получено быть не может. Весовой фактор этих систем находится в пределах 200-400 кг / кВт, что означает, что комплекс ЛО с выходной мощностью в 150 кВт будет весить, как минимум, 30 т и с трудом может быть размещен даже в тяжелом военно-транспортном самолете. Для достижения господства в воздухе необходимо создание и оснащение серийной боевой авиации легкими и компактными тактическими комплексами ЛО с весом в пределах нескольких сотен килограмм. Что уж говорить о более энергоемких лазерных комплексах стратегического назначения с дальностью поражения более 1000 км. Уже хорошо известно, что вплоть до настоящего времени стратегического ЛО в мире не создано. Поиск решения данной проблемы сочетает в себе несколько важных требований. Так, к максимальной компактности и минимальному весу комплекса добавляется варьируемость временной структуры излучения и масштабируемость средней мощности до нескольких десятков МВт. Также ясно, что легкое и компактное стратегическое ЛО в конечном итоге будет создано на основе твердотельной технологии. Весь мир находится в поиске этой физико-технической идеи и ее конструкционной и технологической основ.
На основе волоконной технологии и спектрального сложения излучения единичных источников в США (Lockheed Martin) последовательно созданы комплексы ЛО со средней мощностью 30 кВт, 60 кВт, 100 кВт. Весовой фактор комплекса ЛО на основе волоконного лазера сегодня доведен до уровня в 5 кг/ кВт. Идет отработка уже созданного опытного образца лазерной системы мощностью в 300 кВт. Убедительно показана иллюзорность попыток дальнейшего масштабирования мощности такого ЛО в выбранном конструктиве. Очевидно, что нужны иная физико-техническая идея и конструктивная схема твердотельного комплекса ЛО, которые позволили бы дальнейшее масштабирование его средней мощности при сохранении или улучшении достигнутого весового фактора.
Особое значение весовой фактор приобретает при рассмотрении вопроса оснащения лазерами космических аппаратов, т.к. эта задача уже стоит в повестке дня в США. Частичный возврат к СОИ уже заявлен Объединенным комитетом начальников штабов США. Задача ее нового этапа - борьба с гиперзвуковыми ракетами России. Благодаря накопленному опыту эксплуатации комплексов ЛО на устаревшей физико-технической основе подтверждается необходимость создания компактных и легких с выходной мощностью в несколько десятков МВт. Уже понятно, что волоконные лазеры в силу ряда физических ограничений не могут обеспечить мегаваттный уровень выходной мощности комплекса ЛО. Технология спектрального сложения излучения огромного числа единичных лазерных модулей лимитирована уровнем в несколько сотен кВт.
Стратегический уровень высокоэнергетических мобильных комплексов ЛО на их основе невозможен. В США заявлена и успешно выполняется программа «SHiELD» (Self-protect High Energy Laser Demonstrator), которая является комплексной программой создания истребителя 5 го - 6 го поколений с ЛО на борту для защиты самолета от ракет воздух-воздух и земля-воздух. Она включает разработку компанией «Northrop Grumman» системы управления лучом лазера, разработку собственно лазера компанией «Lockheed Martin» и интегрирование всей системы ЛО в единый лазерный комплекс компанией «Boeing». “Аir Force” США планируют получить эти лазерные авиационные комплексы из-за коронавирусной пандемии и объективных технических трудностей только к концу 22-го года. Очевидно, что создаваемый новый авиационный комплекс ЛО “SHiELD” будет способен не только решать задачи собственной защиты от ракетного нападения, но и представит большую угрозу для объектов военной техники (ОВТ) и авиации противника. Лазерное излучение микронного диапазона значительно поглощается и рассеивается в условиях «Персидского залива», где было проведено много демонстрационных испытаний тактических комплексов ЛО для борьбы с «дронами» и катерами малого водоизмещения. Известно, что в таких условиях мощность луча падает втрое на каждой миле дистанции. И это, действительно, усложняет применение ЛО в условиях большой влажности. Но из этого не следует вывод, заявляемый некоторыми экспертами у нас и за рубежом, что ЛО не эффективно в принципе!
Нужно наращивать мощности комплексов ЛО и уходить на, действительно, много больший уровень мощностей, на другие временные режимы генерируемого излучения. Так, например, перевод непрерывного режима генерации излучения в высокочастотный И-П позволяет на порядок величины увеличить дальность поражения при увеличении пиковой мощности импульсов на несколько порядков величины в сравнении с мощностью изначально непрерывного режима. Есть и совершенно другие военные задачи помимо уничтожения “дронов” и мелких катеров. Это использование ЛО в верхних слоях атмосферы и в космосе. На высотах 7-9 км. воздушная среда гораздо более прозрачная и прицельные дальности для уничтожения ОВТ даже для уровня мощности в 100-150 кВт могут составить многие десятки км. А если речь идет о мегаваттном уровне мощностей, то уже историческими работами специалистов из США и СССР экспериментально доказана реальность диапазона активного оперирования “лазерными монстрами” до 100 км (рис. 5). Другое дело, что все это, опять же, тактический диапазон дальностей и надо продолжать наращивать мощность ЛО для достижения стратегического уровня дальности в 1000 км и более при значительном снижении веса и габаритов комплекса.
 |
| Рис.5 Кислород-йодный лазер (мегаваттный класс) на борту модифицированного самолета Боинг 747 (ВВС США). |
| Источник: https://fastpic.ru/ |
В космосе воздуха и паров воды практически нет и, значит, нет существенного поглощения и рассеяния излучения! Вопрос дальности поражения ОВТ будет зависеть только от оптического качества генерируемого излучения и от уровня мощности ЛО. Но еще надо его умудриться вывезти в космос. Именно для этого акцент в работах США делается на твердотельной дисковой технологии, позволяющей еще понизить весовой фактор до 2 кг/ кВт и ниже в случае решения проблемы создания лазера на основе диска большого диаметра. Пока такое решение комплекса физико-технических проблем, связанных с масштабированием диска, насколько мне известно, в США не найдено. Но работы по его поиску активно ведутся во многих странах мира, доклады об этом представлялись на многих конференциях по высокоэнергетическим лазерам и их применениям. Следует сказать и об истории дискового лазера, предложенного акад. Н.Г. Басовым в 1966 году. Много позже после визита в Россию дисковая геометрия была запатентована ученым из Штутгарта и активно развивается в мире. В силу ряда физических ограничений максимальная мощность лазера с одиночным диском с оптимальным размером диска не более 1,5 см находится в пределах 4-8 кВт в зависимости от качества излучения. Сложение излучения большого числа дисковых модулей, так же, как и сложение излучения волоконных модулей, представляется мало перспективным в плане выхода на мегаваттные уровни мощности. Единственно верным подходом к созданию стратегического твердотельного ЛО остается получение лазерного излучения в едином резонаторе с дисковым активным элементом большого диаметра. Именно на этом пути, богатом физико-техническими и технологическими трудностями, возможно создание всей линейки твердотельных лазерных комплексов от тактического уровня и до стратегического. Такая моно-модульная геометрия дискового лазера, найденная в России, и есть решение данной научно-технической проблемы.
Сегодня в мире активно используются два режима лазерного воздействия на объект: силовое воздействие и функциональное. При силовом механизме воздействия в объекте прожигается отверстие или отрезается какая-либо часть конструкции. Это приводит, например, к взрыву топливного бака или к невозможности дальнейшего функционирования объекта как единой системы, например, самолет с отрезанным крылом. Для реализации силового поражения на больших дальностях нужны огромные мощности. Так, проекты СОИ при дальности поражения более тысячи километров требовали уровня мощности лазера - 25 МВт и более. Уже тогда, на конференции в Лас-Вегасе, где был дан старт полномасштабным исследованиям в области создания мощного ЛО, мне - члену делегации СССР, было понятно, что в ближайшие 40-50 лет стратегическое мобильное ЛО в мире не будет создано. Слишком далек был мир в то время от необходимого уровня понимания проблемы, в этой околонаучной акции была видна большая политическая подоплека.
Функциональное воздействие, или, как его называют в США, “умное воздействие” работает на тонких эффектах, мешающих противнику выполнить поставленную задачу. Речь идет об ослеплении оптико-электронных систем военного оборудования, об организации сбоев в работе электроники бортовых компьютеров и навигационных систем, о реализации оптических помех в работе операторов и пилотов, мобильного оборудования и т.п. Это уже пришло и на стадионы, где лазерными указками пытаются слепить вратарей. При этом механизме резко увеличивается дальность эффективного воздействия за счет резкого снижения необходимых плотностей мощности лазерного излучения на цели, даже при существующем незначительном уровне выходных мощностей лазерных комплексов. Да, лазер может засветить оптоэлектронную систему наведения на цель, и все бы так, но ракета продолжает лететь и у оператора нет и не может быть абсолютной уверенности в потере ракетой ее навигационной способности достичь цели. А эта уверенность у военных должна быть. Военные и раньше не любили функциональный механизм поражения цели, и сейчас мало что изменилось в их позиции. Таким образом, функциональное поражение хорошо только тогда, когда силовое объективно невозможно по причине недостатка средней мощности излучения лазера на данной дистанции. И это значит, что разработчикам ЛО необходимо думать о легком и компактном стратегическом ЛО, способном уничтожать ОВТ в силовом режиме, т.е. всегда иметь запас энергии в луче. Именно этот механизм срыва выполнения поставленных военных задач предлагал в своем письме в директивные органы акад. А.М. Прохоров. Это было в 1973 г, когда до реализации силового механизма на значительных дистанциях было еще очень и очень далеко. И именно этот механизм сегодня пока доминирует в сфере применения ЛО. Так что еще раз убеждаемся: “Есть пророки в своем отечестве!“.
Компания “Локхид – Мартин” уже заявила о достижении для комплекса ЛО величины весового фактора - 5 кг / кВт. С помощью спектрального сложения нескольких волоконных лазерных модулей тактический уровень ЛО уже практически обеспечен.
Есть и другой “современный” твердотельный лазер – это лазер с дисковой геометрией активного тела системы. Этой идее акад. Н.Г. Басова правда уже 54 года, но именно этот принцип построения мощных лазерных комплексов оказывается сегодня и надолго в будущем доминирующим. При том же весьма выгодном соотношении < 5кг / кВт этот конструктивный принцип позволяет и реализацию высокочастотного высокоэнергетического И-П режима, т.к. апертура широко применяемого дискового лазера имеет диаметр порядка 1,5 см, что много больше диаметра оптических волокон “волоконника”. Для увеличения средней мощности системы несколько дисков также складываются в оптическую систему, значение средней мощности такого модуля сегодня уже составляет 50 кВт. Однако, комплексы ЛО значительно большей мощности нужны для выполнения задач воздушно-космической обороны (ВКО). Сложение лазерного излучения нескольких модулей, также как и в случае волоконной технологии, может привести к решению проблемы тактического ЛО. Но от дискового модуля мощностью даже в 75 кВт (компания “Локхид – Мартин” планирует это увеличение за счет качества отражающих покрытий) до уровня мощности стратегического ЛО в 25 МВт, а именно об этом уровне мощности говорил Э. Теллер, дистанция гигантского размера. Сложить лазерное излучение нескольких сотен модулей в единый луч в случае мобильного комплекса не представляется возможным. В чем же трудность масштабирования мощности дискового лазера за счет увеличения диаметра диска, о котором много лет назад говорил акад. Н.Г. Басов. Усиленное спонтанное излучение (“УСИ”), т.е. механизм сброса энергии вдоль диаметра диска, который мешает существенно увеличить апертуру. Другая проблема, которая не менее важна для решения проблемы дискового лазера с большим диаметром диска– его эффективное охлаждение. Эта проблема была нами решена при создании силовой оптики для мощных лазеров многомегаваттного класса. Недавно нам удалось найти решение и проблемы подавление УСИ. Теперь можно себе представить лазерный комплекс с диаметром диска -50 см. и мощностью -10 МВт, эффективно решающий задачи лазерной чистки космоса и ВКО на стратегических дальностях. И это будет прорыв в решении задачи безопасного космоса и укрепления обороноспособности Государства!
Проведенные нами модельные эксперименты и теоретические оценки показывают, что при уже достигнутом в мире уровне развития лазеров на химической и твердотельной основах возможно построение лазерных комплексов для эффективного удаления космического мусора (КМ), как непосредственно с орбиты, так и с горы высотой 3-3,5км вблизи экватора. Сегодня проблема КМ является одной из самых острых, которую не может решить сепаратно ни одна отдельно взятая страна. Представителям всех космических держав необходимо как можно скорее садиться за круглый стол и начать обсуждение данной проблемы. Отличный шанс для России еще раз во весь голос призвать мировое сообщество к мирному использованию космоса. Предлагаемое нами научно-техническое решение, основанное на базе высокочастотных И-П мобильного твердотельного моно-модульного дискового и стационарного химического HF/DF лазеров докладывалось на конференциях и опубликовано в научной печати.
Есть и другой интересный пример использования высокоэнергетического И-П лазера в наше сложное время. Так. ученые из Министерства обороны США в 2018 году создали прототип акустической лазерной пушки, способной создавать источник оглушающего звука на значительном расстоянии. Пушку планировалось использовать для разгона несанкционированных демонстраций и для иных приложений. Нами громкий звук в виде хорошо известной музыкальной фразы был продемонстрирован на многих конференциях еще в 2005г. До 20% энергии высокочастотного И-П лазера может быть эффективно перекачано в звук, варьируемый по частоте.
Высокочастотный И-П режим генерации комплекса, грубо говоря, сидит на плечах непрерывного режима и может быть отключен в зависимости от желания. При этом его средняя мощность мало отличается от мощности непрерывного режима. Однако есть очень важные преимущества высокочастотного И-П режима работы высокоэнергетического лазера, которые проявляются в целом ряде новых эффектов и возможных приложений на практике:
- При высокочастотном И-П пробое воздуха значительно увеличивается передаваемое в мишень количество движения. Нами был продемонстрирован эффективный запуск моделей ракет за счет организации пробоев на их хвостовой части.
- Уменьшаются потери энергии лазерного луча при прохождении высокочастотной И-П последовательности импульсов в воздушной среде за счет ее самопросветления.
- Существенно увеличивается передача энергии в мишень при воздействии на технологический объект. Так. резка любого материала оказывается почти на порядок величины эффективнее. Особенно это представляется интересным в случае резки толстых льдов при работе в северных широтах.
- Появляется новый подход для реализации вторичных факторов пробоев на поверхности объекта в атмосфере или в парах возгоняемого материала в вакууме - “лазерный РЭБ”. На стратегических расстояниях за счет передачи энергии в лазерном канале (микронное излучение) и, соответственно, при малых размерах антенны (отражателя) создается широкополосное ЭМИ на мишени в условиях оптического пульсирующего разряда (ОПР).
- За счет высокочастотного ОПР появляется возможность создания проводящих электрический ток каналов, как в воздушной среде, так и в вакууме и реализации эффективной передачи энергии.
Хочу еще добавить к вышесказанному - именно этот путь развития комплексов ЛО тактической и стратегической дальности, начатый совместно с акад. Н.Г. Басовым и акад. А.М. Прохоровым, позволит России значительно продвинуться в создании масштабируемых до многомегаваттного уровня энергетики компактных и легких высокочастотных И-П комплексов ЛО. Одновременно с созданием этих твердотельных лазерных систем должна быть создана и их новая элементная база. Решение этих сложных задач должно послужить локомотивом дальнейшего развития ряда базовых предприятий страны и их перехода на 6ой технологический уклад.
Автор: Виктор В. Аполлонов - заведующий отделом Мощные лазеры Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ; лауреат Государственных премий СССР (1982), РФ (2001) и Международной премии ECOWORLD-2017, действительный член АВН и РАЕН, член Президиума РАЕН ; ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 2000 докладов на российских и международных конференциях, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 24 монографии и 148 авторских свидетельств и патентов.
