高功率激光器有望成为新的防御战略

英国国防科技公司奎奈蒂克(QinetiQ) 的物理学家正在开发组合和控制高能激光束的系统，以提供强大且经济高效的对抗无人机和其他无人物体的对策。

图1. 定向能量：将高功率激光束指向远程目标，提供了针对小型无人物体的更灵活的防御机制，而无电缆能量传输可以开辟未来的应用领域，例如电动汽车的移动充电（来源：QinetiQ )

目前，世界各地对采用高功率激光束来禁用空中入侵者的兴趣与日俱增。这些所谓的定向能系统有可能以发射常规防御导弹或弹药的一小部分费用，损坏或摧毁小型空中设备。另外，一个额外的优势是它们可以多次重复使用，以应对多次攻击以及无人机群日益增长的威胁。

QinetiQ 是一家总部位于英国的专门从事国防和安全解决方案的技术公司，在支撑这些定向能系统的物理学方面进行了大约 10 年的研究工作，已经证明有足够的潜力开始构建和测试实用原型。“我们采取了高风险、高回报的方法来开发这些系统，”QinetiQ 新型效应器和弹性能力领域负责人 Richard Hoad 说。 “我们的公司和国防领域的客户显着增加了他们的投资，使我们能够证明我们的解决方案在广泛的真实环境中和在测试中一样有效。”

目前，我们有大约 20 人在研究这些系统的各个方面，我们现在需要更多的激光物理学家来补充和推动团队。

资金的增加，加上将技术从实验室的演示器迁移到完全集成的系统的需求，为此， QinetiQ 高能激光团队中需要更多物理学家和工程师。“我们目前有一支能力很强的团队致力于这些系统的各个方面，我们现在需要更多的激光物理学家来补充和推动团队，”他说。 “有一些很好的机会可以参与到一些尖端技术中，这即将成为一种改变游戏规则的军事能力。”

可扩展的好处

图2， 光子学重点：QinetiQ 位于马尔文的研究园区的光学科学家一直在完善电子相位控制技术，以实现多激光束的相干组合（来源：QinetiQ）。

关键目标是设计一个可扩展的架构，结合多个千瓦级激光器，使光束的亮度可以轻松调高或调低。为了保证稳健性，该团队选择利用已建立的光纤激光技术，该技术最初是为工业材料加工而开发的，最大的挑战是找到一种有效的方法来组合和控制许多不同光纤激光放大器的输出。

“我们需要确保电力到达可能在几公里之外的目标，”Hoad 说。 “这意味着我们需要高精度控制和瞄准激光，同时还要补偿大气湍流对光束传播的影响。”

可以使用各种技术来组合光束，但 QinetiQ 选择了一种电子相位组合技术，该技术可以更精确地控制激光束的形状、中心亮度和光斑尺寸等关键参数。虽然在理论上与相控阵雷达相似，但红外激光的波长要短得多，需要更高的工程精度和高效的算法来实现精确和高速的电子控制。

QinetiQ 马尔文研发园区的物理学家负责完善这种相干相结合技术。 “除了物理挑战外，我们现在还面临工程挑战，以证明我们的方法可以在许多不同的环境中并提供强大的解决方案，”Hoad 说。 “振动和位置稳定性等外部因素将对您控制输出光束相位的能力产生巨大影响。”

整合工作

与此同时，在法恩伯勒的 QinetiQ 的 Cody 技术园，工作重点是将核心相位控制技术与高功率激光源、对准光学器件和电源集成在一起。一个大型系统集成设施可用于室内测试，使团队能够评估相位控制对输出光束的影响。

从长远来看，QinetiQ 认为，利用高能激光器或高功率射频发射器的定向能量系统可以更普遍地用于无线电力传输。例如，向合作目标发射能量，例如配备接收系统的无人机，为车载电力存储设备充电。

其他可能的情况包括紧急响应情况，即需要在不铺设电缆的情况下为关键基础设施供电。与此同时，欧洲航天局也有兴趣使用该技术将高带宽数据传输到太空。无线电力传输技术甚至可以支持电动汽车的大众市场采用，通过安装在高速公路上的系统提供充值费用。 “这项研究仍然非常投机，但它显示了定向能技术的巨大潜力，”霍德评论道。 “对于某些应用程序来说，这可能真的很有趣。”

开发这样的高功率系统需要激光科学的许多不同方面的专业知识。一是了解大气如何影响高能激光束的传播，因为靠近地面的湍流和不断变化的天气条件使得控制和瞄准光束具有挑战性。激光安全是另一个重要的研究领域，专家们致力于评估向天空发射高功率激光的危险和风险，例如，了解当一些能量从目标反射回来时会发生什么。

打开机会

“将技术从研发带到实际系统的开发，更加强调工程，以及了解使用定向能技术的更广泛后果，” 霍德（Hoad） 评论道。 “这意味着我们需要提高我们的能力，我们现在在 Malvern 和 Farnborough，为想要应用他们的技能并将他们的研究应用在现实世界系统中的人们提供了相应的职位。”

QinetiQ得理查德·霍德：我们对候选人可以提供的以往经验持开放态度，因为我们为新员工提供专门的培训。

QinetiQ 正在寻找能够展示光子学和激光物理学工作知识的科学家或工程师。 “我们对候选人可以提供的以往经验持开放态度，因为我们为新员工提供专门的培训，使他们能够使用我们的技术和设施，”他说。 “新团队成员有机会在业务中四处走动，因此主要在马尔文工作的光学物理学家可能会花时间在范堡罗了解技术是如何集成的，而我们的高能工程师会去马尔文了解核心技术是如何工作。”

QinetiQ 还热衷于支持希望进一步进行学术培训的员工，无论是本科大学课程还是赞助的博士学位。 Hoad 本人作为技师学徒加入了该公司，他通过兼职学习获得硕士学位，然后获得博士学位，而他的一些团队成员目前正在攻读博士学位。“我们正在与学术界建立更紧密的联系，赞助学生对我们来说是一个很好的方式，”他说。

刚从大学毕业的候选人也可以通过 QinetiQ 的为期两年的研究生培训计划加入，该计划将每个新进入者分配到“家庭”企业，同时还提供在其他部门的六个月实习机会。

“对于对激光科学感兴趣的人来说，QinetiQ 中有很多选择，”Hoad 说。 “除了我们在高能源方面的工作外，其他小组还专注于激光雷达和用于通信的光学地面系统等领域。事实上，QinetiQ 在全球拥有 6000 多名员工，为职业发展提供了一系列机会。成为各自领域专家的科学家通过奖学金计划获得认可，研究员和高级研究员每年都会获得津贴以进行自己的研究。技术人员的职业发展框架还鼓励与行业和学术界的外部合作、持续的专业发展和参加会议——所有这些都是为了建立有助于推动技术进步的网络。

“我们的大多数项目都涉及工业或国防领域的合作伙伴，”Hoad 评论道。 “我们需要联手推动这项技术。”