Razvojni laboratoriji razvijaju nove generacije lasera snage 100 kW i više

Lasersko oružje već dugo pobuđuje maštu, ali logistika, veličina i cijena problemi su koji su dovodili do kašnjenja te raznih razočaranja. Iako su kemijski laseri otvorili vrata ka oružju direktne energije i megavatne snage, njihova veličina i logistička složenost spriječili su ih u zamjeni ili dopunjavanju taktičkog oružja borbenim letjelicama te borbenim vozilima.
Posljednji uspjesi u razvoju lasera čvrstog stanja napokon bi mogli omogućiti postavljanje oružja direktne energije na taktičke platforme. Izrada jednog 100 kW-tnog lasera čvrstog stanja, dovoljno kompaktnog i jednostavnog kako bi stao u taktičko vozilo te se iz njega i rabio, ima potencijala za prevagu ka oružjima direktne energije.
Zajednički ured za tehnologiju lasera visoke energije (JTO) prošlog je ljeta poslao tim iz MIT Lincoln Laboratory kako bi se ispitale četiri inačice lasera čvrstog stanja razvijenih od tvrtki Northrop Grumman, Lawrence Livermore Laboratory, Textron, te Raytheon. U prosincu je JTO obabrao dvije tvrtke za slijedeću fazu zajedničkog programa lasera čvrstog stanja i velike snage (JHPSSL). Ugovornici su dobili financijska sredstva u vrijednosti 30 milijuna USD (tvrtka Textron) i 60 milijuna USD (tvrtka Northrop Grumman) za trogodišnji rad na izradi lasera čvrtstog stanja snage 100 kW. Iako su ispali iz igre, tvrtke Livermore i Raytheon nastavljaju s radom na laserima čvrstog stanja.

Northrop Grumman, radeći u sektoru svemirske tehnologije (sjedište tvrtke je u mjestu Redondo Beach, California, USA), kombinirao je višestruke snopove male snage kako bi se formirao jedan snažni laser. Ovaj pristup rabi itrij-aluminij-granat (YAG) kao laserski materijal te ga kombinira s glavnim oscilirajućim pojačalom snage koje pak uzima snopove male snage i pojačava ih u stupnjevima. Prema tumačenju tvrtke Northrop Grumman, sjedinjavanje snopa omogućuje povećanje snage. Za drugu fazu programa, tvrtka je sastavila dva laserska lanca koji se pak sastoje od četiri pojačivačka modula – svaki na 5 optičkih klupa dužine 3,65 metara svaka.

Obećavajući rezultati
Sam uređaj – klupe prekrivene optikom i jednim aktivnim sustavom za hlađenje, daleko je od mobilnog. Voditelj JHPSSL projekta izjavio je kako je sam uređaj golem, ali nije ni namjera da bude malen i kompaktan, nego je bitno da bude eksperimentalno operativan. Iako se tvrtka Northrop Grumman pomakla ka trećoj fazi JHPSSL programa te pokušava učiniti uređaj kompaktnim, veličina ostaje velik izazov. Tvrtka tvrdi kako još jedno područje predstavlja velik izazov, a to je kako postaviti osam 12,5 kW-nih snopova zajedno, s malenim međusobnim razmakom, pomoću mnogih ogledala postavljenih jedno prema drugom i pritom ne imati probleme sa zalutalom svjetlošću i grijanjem komponenti.

Ali kompenzacije su put prema povećanju izlazne snage. Sada kad je težak dio kombiniranja snopova postignut, veća snaga jednostavno zahtijeva više laserskih lanaca što teorijski ne predstavlja gornji limit osim u povećanju veličine. Istraživači tvrtke Northrop Grumman, tvrde kako nigdje u fizici ne stoji da je limit samo 100 kW.
Stupanj učinkovitosti ostaje izazov. U tvrtki je postignuta učinkovitost od 10 % (ulazna snaga u odnosu na izlaznu snagu) u drugoj fazi JHPSSL programa. U konačnoj fazi, koja je bazirana na elektro-optičkoj korisnosti (usporedba svjetlo ka svjetlu), zahtijeva se 17 % sa konačnim ciljem od 19 % . Kvaliteta snopa predstavlja još jedan izazov. Cilj u slijedećoj fazi JHPSSL je postići manje od dvostrukog ograničenja u prelamanju svjetla (to govori koliko uzak snop laser može postići). Neki takmaci odbijaju objaviti točne vrijednosti, ali Northrop Grumman tvrdi kako imaju dobru kvalitetu zrake – 1,75 ograničenja u prelamanju svjetla (pri snazi od 19 kW). To se mora održavati zbog kvalitete na većim razinama snage. Tvrtka Textron je bila pomalo neobičan sudionik u programu jer njihov laser nije bio dio prijašnjeg natječaja. Razvijen je financiranjem iz tvrtkinog fonda te uz pomoć nekih vladinih potpora. Iz tvrtke navode kako je njihova investicija u lasere dio tvrtkine strategije pozicioniranja na rastućem tržištu, a sam je Textron jak igrač na polju oružja i streljiva. Tvrtka Textron smatra kako je tehnologija lasera velike snage obećavajuća i igrat će glavnu ulogu na tom dijelu tržišta u budućnosti.

ThinZag je Textronov pristup koji rabi malen i tanak laserski materijal koji je prikladan za samostalno i učinknovito hlađenje. Prema tumačenju istraživača tvrtke Textron ThinZig konfiguracija rabi laserski materijal postavljen između kristala kvarca. Snop prolazi pilasto (cik-cak) kroz kvarc, materijal za hlađenje i laserski materijal, te se vraća natrag kroz materijal za hlađenje. Snop ponavlja proces te se okrene i kreće u drugom smjeru. Istraživači navode još jednu prednost ovog pristupa – većina lasera čvrstog stanja odaje visok, mršavi snop, ali ThinZig ima snop vrlo uporabljivih dimenzija, pravokutni i kvadratični, koji pomažu u održanju snopa i njegovoj kvaliteti.  Kako tvrtka Northrop Grumman povećava snagu dodajući lasere, tako tvrtka Textron postiže isto povećavajući dužinu ploče laserskog materijala. Textron radije rabi keramički materijal nego kristal.Tvrtka navodi kako je taj pristup bolji – ako se ograničite na kristal, tada je laser velik koliko je velik kristal. Iako su odbili specificirati točnu izlaznu snagu, istraživači tvrde kako je tvrtka postigla zacrtanu izlaznu snagu lasera od 1 kW, 5 kW i 15 kW, a dosezanje snage od 100 kW neće, uvjereni su, predstavljati nepremostiv izazov. Kada je riječ o snazi, znanstvenici u kalifornijskom Lawrence Livermore Laboratory su odmakli ispred konkurencije. Tvrtka Boeing se natjecala u JHPSSL programu rabeći Livermore laser. Kao vladin laboratorij, Livermore se ne može natjecati s privatnim tvrtkama za poslove vlade. Livermore laser koji je izrastao iz ranijeg laserskog programa, postigao je impresivnih 45kW prilikom JHPSSL ispitivanja što je daleko iznad Northropovih 27 kW. Laser rabi četiri keramičke ploče, pumpane (osvjetljavane) pomoću devet redova, a svaki s 80 diodnih linija što ukupno iznosi 720 dioda koje emitiraju svjetlo (pod kutem) prema keramičkim iterbij-YAG pločama dimenzije 10 x 10 cm . Te ploče, debele oko 2 cm, odašilju snažni izlazni snop koji se pojačava dodavanjem još ploča, a svaka ploča pojačava izlaznu snagu za vrijednost 2.

Istraživači iz tog programa za Livermoreski laser čvrstog stanja s toplinskim kapacitetom, tvrde kako je ta tehnika bolja nego Northropova tehnika kombiniranja snopova kod koje se mora paziti na homogenost kombiniranih snopova i korektnost njihovoh izobličenja. Navode kako je Livermore laser relativno velik: 2,4 metra dužine, 1,5 metar visine i 1 metar širine, ali krajnji rezultat je velika izlazna snaga. Slijedeća stavka je termičko upravljanje – Livermoreov laser ima odvojeni sustav hlađenja koji ograničava vrijeme rada. Laser funkcionira u impulsnim ispaljivanjima, povećavajući snagu toliko dugo koliko je potrebno da se ne spale (unište) diode, a tada se gasi kako bi se ohladio. Postrojenje za hlađenje zauzima cijelu sobu iza lasera, s cijevima kroz koje struji voda iz rezervoara 24 sata na dan. Ako bi se rezervoari smanjili tada cjelokupno smanjenje sustava ne bi trebao biti prevelik problem, čime bi se laser mogao maknuti iz sobe te postati pokretan. Energetska učinkovitost, vrijeme korisnog rada, hlađenje, te kvaliteta snopa preostaje manja prepreka koju Livermore treba riješiti. Istraživači tvrde kako je dostignuta kvaliteta zrake od 2 do 3 ograničenja u prelamanju svjetla. Nadalje, Livermoreov laser je učinkovit oko 10 % , što nije kao u slučaju ostalih takmaca, ali je manje nego što vojska zahtijeva.
Unatoč problemima, visoka izlazna snaga je zgodna osobina, a samo Livermore, za razliku od ostalih takmaca, ima nacrte za ono što je do nedavno bilo u domeni kemijskih lasera: strateški laser megawatne klase! Istraživači navode kako laboratorij izvodi računalne simulacije koje pokazuju izvedivost tih ideja. Projekt uključuje udvostručavanje veličine i povećanje broja ploča na 16. To će zahtijevati još više dioda i jače hlađenje, ali krajnji će rezultat biti, nadaju se, kompaktan laser čvrstog stanja megawatne klase.

Raytheon tvrdi kako tvrtka ima više znanstveni pristup prema laserima čvrstog stanja. Rad tvrtke leži na fazno spregnutom oscilirajućem pojačalu snage, projektiranom kako bi povećao snagu bez dodatnih lasera ili optičkih uređaja. Arhitektura rabi fazno spregnuto zrcalo koje vraća valnu frontu snopa, korigirajući izobličenja kako se snop odbacuje nazad u fazno spregnutoj petlji. Istraživači iz Raytheona (sjedište mu je u mjestu El Segundo, California, SAD), primjećuju kako fazno spregnuto zrcalo zaglađuje i ublažava izobličenja, ali snaga lasera nikada ne prelazi prag od 2 kW tijekom JHPSSL programa. Problemi će se riješiti pojačalima, ako se gleda na visoku preciznost u kalibriranju. Postoje različite ploče laserskog materijala koje su jedinstvene za pojačala. Tvrtka nije publicirala podatke o učinkovitosti i kvaliteti snopa. Unatoč svemu u tvrtki su optimistični, i tvrde da su sposobni identificirati kako je to put naprijed ako reduciramo termalno rasipanje uzrokovano laserom kao i količinu potrebne snage. Tvrtka navodi kako ostale ideje mogu dati veću snagu, ali i ne dati kompaktnu veličinu uređaja. Projekt je put naprijed koji čini tehnologiju sposobnom da saživi za takve platforme. Zašto se ne može postići veća snaga od 2 kW? Odgovor je jednostavan. Tehnologija je još uvijek nedostupna. Postavlja se pitanje hoće li će se ijedan laser ikada pojaviti na bojišnici. Pod pretpostavkom da ima snagu od 100 kW, laseri će morati biti integrirani u borbeni sustav i biti napravljeni dovoljno kompaktni da stanu u kopneno vozilo ili letjelicu. Prema tumačenju iz tvrtke Northrop, vojska želi laser čvrstog stanja za uništavanje raketa iz VBR-a, topničkih i minobacačkih projektila. A sve to operativno i na bojišnici do godine 2010., što bi moglo biti ostvareno.

Iako se u dosadašnjoj povijesti razvoja laser čvrsto držao zemlje, početkom ove godine tvrtka Northrop Grumman predstavila je svoj prototip svemirski-baziranog Alpha kemijskog lasera. Iako tvrtka vidi kemijske lasere kao jedine strateške lasere u bližoj budućnosti, zanima se i za lasere čvrstog stanja. Istraživači iz istraživačkog laboratorija ratnog zrakoplovstva, primjećuju kako postoji mogućnost ugradnje lasera čvrstog stanja na borbenu letjelicu, ali u budućnosti kao vlaknasti laseri koji su manji nego laseri čvrstog stanja. Nadalje navode da je potrebno stišati optimizam u pogledu lasera čvrstog stanja jer se veličina kemijskih lasera smanjuje što pokazuje Napredni taktički laser, 100 kW kemijski laser u razvojnoj fazi namijenjen avionu AC-130. Zauzima sav korisni prostor aviona, ali je ipak mnogo bolji nego inačica iz 1977. godine. Tada je rečeno kako će se laseri pojaviti na bojnom polju 30 godina kasnije.

HELLADS
Iako se radovi na laserima čvrstog stanja polako približavaju razvoju oružja stila “Ratovi Zvijezda” (Star Wars – po istoimenom SF filmu), drugi odjeli Pentagona investiraju u postojeće tehnologije koje bi mogle proizvesti energijski jače snopove a u kraćem razdoblju. Agencija DARPA se približila tome sa svojim ambicioznim HELLADS-om (terenski obrambeni sustav s visokoenergetskim laserom tekućeg stanja), koji bi trebao biti kompletan laserski sustav sposoban ispaljivati 150 kW, a u planu je do kraja fiskalne godine 2008., oko godinu prije nego laseri čvrstog stanja dostignu stupanj od 100 kW. DARPA-in program, ako bude uspješan, imat će intergriran sustav za praćenje (JHPSSL ne želi integrirati sustav za praćenje prije slijedeće faze programa). S namjerom da se dobije manje od 5 kg mase po kW snage, lagano, ali snažno, HELLADS oružje izvedeno je za ugradnju u taktičku letjelicu ili kopneno vozilo. Tvrtka General Atomics je vodeća u nastojanjima za razvoj lasera, te je prošle godine izabrala tvrtku Lockheed Martin Corp. kako bi se HELLADS laser integrirao unutar kompletnog oružja, što uključuje sustav za praćenje, kontrolu paljbe i kontrolu snopa. Znanstvene činjenice glede HELLADS lasera razriješene su, a ono što preostaje su izazovi povezani sa veličinom, integracijom, naoružanjem i konačnim izgledom.

HELLADS je treća od ukupno pet faza, a prototip je dosad dosegao snagu od 15 kW, skupio je više od 100 sati rada. Nadalje, DARPA još nije prikazala tehničke specifikacije oko učinkovitosti i kvalitete snopa koji su zahtijevani u programu, pa čak i koji se tekući laserski medij rabi. U međuvremenu, DARPA je zauzeta radom na drugoj tehnologiji – vlaknasti laser, koji je zapravo laser čvrstog stanja koji upotrebljava optička vlakna kakva su u telekomunikacijama za prijenos podataka. Vlaknasti laseri omogućavaju veću energetsku učinkovitost nego ostali tipovi lasera te se mogu bolje hladiti, ali problem je u kombiniranju vlakana u jedan snažan koherentan snop. Za sada su demonstrirani samo skromni iznosi izlazne energije.
DARPA je nedavno okončala prvu 18-mjesečnu fazu razvoja vlaknastih lasera te postigla 100 W izlaza iz jednostruko-polariziranog vlaknastog lasera. Program se kreće ka drugoj fazi kojom će se demonstrirati 2 kW izlaza iz jednomodnog, jednostruko-polariziranog vlaknastog laserskog pojačala. Tvrtka potvrđuje kako je dosad postignuta snaga od nekoliko stotina W.

Pripremio Marijo PETROVIĆ

Foto: Lawrence Livermore National Laboratory