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2月美国激光前沿技术最新进展汇总

2014-02-17 09:32:39 文章来源：OFweek激光网 我要分享 腾讯微博 QQ空间 QQ好友 新浪微博

OFweek激光网讯：转眼又是新的一年，激光技术应用范围已经扩展到生活的方方面面。而科学家没在激光前沿技术领域的研究也一直没有停止过，美国是其中的领跑者。接下来OFweek激光网编辑带你看美国激光技术的最新进展：

1、世界最大激光器：开启能源新时代

物理学的一项新进展使核聚变能源正在“升温”。2月13日发表在英国《自然》杂志上的论文称，美国国家点火装置的科学家现已通过实验证明，核聚变反应释出的能量比燃料（用于引发核聚变反应）吸收的能量多。这项发现标志着核聚变能源将步入新时代，研究的下一个目标将会是实现“总增益”，即系统产生的能量必须超过进入系统的能量。

惯性约束核聚变是一种产生核聚变能量的方法，其操作原理是把燃料芯块的温度提高，从而引发内爆和燃料压缩。实现受控核聚变条件比较苛刻，输出能量大于输入能量要求密度和约束时间的乘积达到一定要求。

而美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室拥有的世界最大激光器——被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF），其有能力产生类似恒星内核的热与力。尽管设计初衷是用来模拟核爆，属于美国“无爆炸核试验”不可或缺的部分，但该装置自落成起就让世人广泛注意到它更具魅力的一点——实现核能发电。人类能于实验室中获得“取之不尽用之不竭”核聚变能源，这在以前是想都不敢想的事。

相比世界范围其他类似计划，NIF主打的卖点在于其计划成为“第一个突破平衡点”的设施。这个突破平衡点，即指产生的能量大于启动它所需要的能量，也是所谓“能量增益”。这是半个多世纪以来核聚变工作者梦寐以求的目标。

此次通过国家点火装置，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的奥马尔·哈瑞肯教授及其科研团队在惯性约束聚变中成功克服障碍，实现了“燃料增益”。在实验中，他们使用192支激光，替一颗燃料芯块进行加热和压缩直至核聚变反应发生。研究结果表明，核聚变反应产生的能量，大约是以前纪录的10倍。

但论文作者提醒，这次观察到的“燃料增益”，是指核聚变能量高于燃料中能量，而不是用于压缩燃料芯块的总能量。

据英国BBC网站此前报道，他们已了解到去年9月下旬该装置通过核聚变反应释出的能量超过了燃料吸收的能量。这是世界第一台能将其得以实现的装置，被认为是最终目标达成前的一个重要里程碑。但当时实验过程中遇到了一些障碍。

2、30kW光纤激光武器：激光武器的里程碑

洛克希德·马丁公司已经演示验证了一款30千瓦的光纤激光器，这是迄今为止能够保持高光束质量和用电效率的最大功率的光纤激光器。

在这次演示中，洛马公司利用多个光纤激光器组合形成了一个近乎完美质量的光束，而其消耗的电能仅相当于其他固态激光技术的50%，这也表明这一资助研发项目达到了新的里程碑。多个光纤模块分别发出不同波长的光束，利用独特的工艺（称为频谱组束），组合器将这些光束形成一束高功率、高质量的光束。

“洛马公司已为适合军事应用的高功率、电驱动激光系统打开了前进之门。”Ray O.Johnson，洛马公司资深副总裁兼首席技术官称。“以现有的激光元件的进步，以及我们创新的波束合成技术的成熟和质量，可以支持我们提供轻巧而坚固的激光武器系统并将其用在军用平台上，如飞机、直升机、舰船和卡车。”

这次成功的演示验证标志着在包括空、陆和海上军用平台在内的大范围部署使用任务相关的激光武器系统达到了一个重大里程碑阶段。

之前工业界的激光武器演示验证显示了目标捕获、跟踪和摧毁能力。但是，这些解决方案只限用于少数战术应用，这主要因为原有的激光效率低，为实现打击目标对尺寸、功率和冷却提出了很苛刻的要求，对于关键的军用陆地和空中平台通常较难实现。

“高能激光作为激光武器系统的心脏，”约翰逊博士说。“这30千瓦的里程碑，表明我们能为各种军事?光速?防御作战提供高光束质量、高功率的激光”。

洛克希德·马丁公司专门从事定向能激光武器系统有超过30年的时间，并于2008年收购Aculight公司，以进一步加强该领域在各个层面（从专家的意见和开拓性研究到固体原型和柔性制造）的研制实力。 3、600兆地月激光通信：空间激光通信可行

美国国家航空航天局（NASA）日前宣布，要通过利用在月球轨道上飞行的航天器进行试验测试，以进一步验证空间激光通信技术的可行性。其航天部门的发言人也表示，开展“月球激光通信演示验证”（LLCD）项目主要是用于演示验证从大约25万英里的远距离进行激光通信的可能性。

LLCD项目的设备是搭载在NASA 的月球大气与尘埃环境探测器(LADEE)上执行测试任务的，该试验取得了一系列突破性成果。在试验验证中，LLCD与月球之间通信的数据下载和上传速率分别达到了622Mbps和20Mbps。LLCD能够在不到5分钟的时间内下载1G字节的数据信息，如果是用搭载在LADEE上的无线电通信系统则需要几天的时间才能完成。

NASA戈达德航天飞行中心的LLCD项目主经理Don Cornwell在一次新闻发布会上说：在整个试验测试过程中，目前还我们没有发现任何问题，阻碍激光通信这项新技术的发展，并能够在不久的将来得到实际应用。项目的研究人员还明确说：在30天的任务执行期间，验证了在漫长的白天，LLCD可以进行无误差的通信，其中还验证了即使是在月亮处于太阳高度角为3度的范围里时，仍旧能保持通信不间断。此外，还有一个意外收获，就是验证了LLCD甚至可以穿透薄云层进行数据通信。项目还验证了一项能力，就是激光通信可以实现从一个地面站自主切换到另一个地面站，就像手机能够从一个基站切换到另一个基站一样。 4、GE大规模应用3D打印：争夺主动权

通用电气（GE）的石油和天然气部门计划于今年下半年试验用3D打印技术制造燃气涡轮机的金属燃料喷嘴，这将是迈向使用3D打印技术大规模制造零部件的重要一步。GE石油天然气事业部的首席技术官Eric Gebhardt告诉记者称，预计到2015年油料喷嘴将全部使用3D打印技术制造。

GE石油天然气事业部此举与稍早GE航空集团的动作相呼应。GE航空集团去年表示，它将使用3D打印来生产跨越式喷气发动机的燃料喷嘴。公开曝光自己原本应该保密的商业性制造技术，GE这么做可谓高调。

著名石油服务公司哈里伯顿尽管没有如此大规模应用3D打印技术，但也开始利用3D打印制造钻探用的零件。 先进的制造技术如今对于石油和天然气行业来说日益重要，因为随着油气资源的枯竭，这些企业不得不更多的进入极端环境作业，如超深的水下或北极。

3D打印技术能够制造在传统制造工艺下无法实现的复杂形状，使工程师们获得了前所未有的产品设计自由度。 GE石油天然气事业部是GE公司增长速度最快的部门之一，该部门未来两年将投资1亿美元用于3D打印（也被称为增材制造）技术开发，并将其置于“重要位置”。该部门已经购置了几十台塑料和金属材料的3D打印机。 燃料喷嘴的主要作用是往燃气轮机中喷注燃料，传统的制造方法是用多个部件焊接在一起制成，而使用3D打印工艺可以一次成型，无需焊接。据了解，GE石油天然气事业部准备应用3D打印工艺的另一种产品是能把石油泵出地表的电潜泵（electric submersible pumps）。“这些零部件大部分直径为4-5英寸，高度为1-2英寸，正好用3D打印技术制造。” Gebhardt说。

3D打印技术目前仍然主要用于原型设计，但即使在这种看似基本的使用上，3D打印技术也有显著的改进。

在英国纽卡斯尔GE的管道检测设备工厂，该工厂组装被称为小猪（Pigs）的监控机器人，过去设计一块电路需要12周，现在只需12个小时，这中间的功臣就是该厂购置的一台迷你冰箱大小的3D打印机。小猪（Pigs）是经过特殊设计来处理特定管道的，比如几百米深的海底，或充满腐蚀性酸气的环境。

设计部件的验证现在可以现场用塑料打印出来，看看是否符合要求，然后才下单制造。对于资深工程师Dave Bell而言，3D打印机的使用是他30年来经历的最大变化之一。“这是一个改变游戏规则的技术，”他说。“3D打印可以让你既便宜又迅速地验证概念。”

但挑战依然存在，主要是围绕打印尺寸和表面光洁度。“现在我们要观察3D打印技术能否随着时间的推移有更快的进步，” Gebhardt说。“它是否会遵循摩尔定律，每18个月翻一番或者类似？就目前来看，3D打印技术发展迅速，但尚未达到一个自然的拐点。我们还需要在某个方面有所突破。”

英国诺丁汉大学教授Richard Hague是增材制造技术方面的专家，他认为对于3D打印来说，石油和天然气工业中使用的设备的尺寸简直是太大了：“如果它小而复杂的话是符合成本效益的，但是当产品庞大和复杂的话就变成事倍功半了。”