他のものを破壊せずにターゲットを破壊する
1950年代にコロンビア大学の大学院生Gordon Gouldとベル研究所の科学者Charles TownesとArthur Schawlowがレーザーという用語を作って以来、レーザーの応用は無限であるかのように思われました。これらの新しい発見に取り組むことは刺激的なはずでしたが、指向性エネルギーレーザーシステムで使用されるような数百kWのレーザーパワーを適用することは、当時は想像できることでさえありませんでした。
著者:
John McCauley, Business Development Manager, Ophir
高出力指向性エネルギーレーザープロジェクトにおけるビーム管理
脅威を無力化するために大量のレーザーパワーを適用することは、陸軍および海軍のプロジェクトにおける兵器システムの有望な進歩であることが長年にわたって証明されてきました。従来の弾薬と比較して、レーザーを使用する利点は無視できないほど多くあります。コヒーレントな光を照射するため、弾には重力の影響がありません。音もなく光の速さで移動します。出力は致死量および非致死量で制御できます。システムに不具合がなければ、兵士や船員は無制限の弾薬を所持できます。また、環境がレーザーの性能に影響を与える場合でも、これは光学機械的補償によって相殺できます。さらに、これらの利点は、多くの場合、比較的安価なシステムの形で提供されます。
高出力レーザーシステム開発の課題
これらの高出力レーザーシステムの開発には一連の特有の課題があり、その多くは高出力レーザーの使用に固有のものです。平均または連続波出力で数kW規模の光子を発射するレーザーは、コンポーネントに対する熱の影響を受けやすく、また目や皮膚の損傷のリスクにより安全性への懸念も高まります。さらに、これらの高出力ではコンポーネントの劣化がより速い速度で発生する可能性があり、その結果、システムのパフォーマンスがより早く低下します。レーザーシステムに対するこれらの影響や変更が、開発中およびシステム稼働後の両方で、システム全体のパフォーマンスにどのような影響を与えるかを理解することは、ミッションを確実に成功させるために重要です。
ビーム管理の進歩
これらのシステムの開発中に、研究者はしばしば「ビーム管理」に関する課題に直面します。大量のレーザー光が目的のターゲットに向けられた場合、ターゲットの破壊中および破壊後にビームに何が起こるかは、意図しないビームの反射の可能性があるため、安全性に関する重大な懸念事項となります。レーザー光を管理するために、オペレーターは「ビームダンプ」と呼ばれるものを使用できます。これは通常、ビームが近くにある他の物体に損傷を与えるのを防ぐための高吸収材料で作られた物体です。ビームダンプは通常、グラファイトレンガ、セラミックタイル、硬質陽極酸化アルミニウム、さらには部屋の後ろのレンガ壁などの犠牲物体で構成されます。これらは通常、安価ですぐに入手できます。ただし、この種のものは通常、すぐに壊れて役に立たなくなります。破壊されたり、反射率の高いガラスになったりするためです。時にはガスが発生し、発がん性のある副産物が生成されます。これにより、研究者に不必要なリスクが課せられます。
幸いなことに、レーザー技術が長年にわたって進歩したのと同じように、ビーム管理のソリューションも進歩しました。2015年、Ophirは、最大100kWの平均または連続波出力のレーザービームの99%以上を効果的に収集する製品をリリースしました。この製品は長年にわたって進歩しており、現在では120kW のパワー測定定格と 150kWのレーザーパワーのビームダンプ定格を備えています。
ビームダンプは、独自のコーティングを施した水冷チャンネルで構成されています。高いダメージスレッショルドを実現し、レーザーがテストに加える熱を効率的に除去できます。120K-Wビームダンプは通常、テストサイトのすぐ近くに水平に設置されます。レーザーはターゲット物質が破壊されるまで照射されます。その後、120K-Wがテストが完了するまで一時的にビームを収集し、レーザーによって追加された熱を冷却チャンネルを通じて放散します。入射ビームサイズに対してレーザーをより高い出力レベルにさらして製品の損傷しきい値定格を超えない限り、デバイスは長年の使用でビームの99%以上を吸収します。
レーザーシステムの動作を理解する
これらのレーザーシステムの成功は、システム内で光源レーザーがどの程度うまく機能するかに大きく依存しているのは事実です。現在、ファイバーレーザーは、その固有の高品質と安定性により、主に指向性エネルギーシステムで使用されています。ただし、これらのシステムを設計する際には、いくつかの追加要素を考慮する必要があります。レーザー源が安定していても、レーザーシステムの一部であるコンポーネントは物理的物質でできているため、劣化や故障の影響を受けやすくなります。さらに、これらのレーザーシステムが導入される環境は過酷であり、長期的なパフォーマンスに影響を与える可能性があります。ビーム伝達コンポーネント、保護ハウジング、ビーム整形光学系はすべて、通常の使用やレーザーの熱影響により、時間の経過とともに劣化する可能性があります。これらの変数がシステム全体のパフォーマンスにどのような影響を与えるかを知ることは、システムを成功させるために非常に重要です。
ターゲットを無力化するシステムの能力に影響を与える可能性のある外部環境要因がいくつかあります。正確に配置されたビームによる適切な量のパワーのみが、戦闘員の兵士と水兵を保護するのに効果的です。レーザーパワーとターゲット上のビーム位置の変化を測定して補正することは、環境要因によるこれらの損失を補正する方法を理解するために重要です。最も重要な変数の1つはレーザーパワー密度です。
レーザーパワー密度
数mWで動作するレーザーポインター、パルスあたり数Jのエネルギーでパルスする微細溶接に使用されるレーザー、または数十、さらには数百kWの連続波パワーでドローンを無力化するために使用されるレーザーのいずれであっても、 そのレーザーの性能は、そのパワー密度 (平方センチメートルあたりのワット数 – W/cm2で表される) によって特徴付けることができます。
パワー密度は、レーザーが動作するビームサイズ (cm2などの面積単位で表される) に対するレーザー光の量 (平均または連続波パワーのワットで表される) として定義され、スポットサイズとして一般に知られています。比較的高いレーザーパワーまたは比較的小さいスポットサイズによりパワー密度が高すぎると、通常、レーザーが過剰に動作したり、損傷するはずのないビーム経路内の物体に制御不能な損傷を与えたりする原因になります。逆に、比較的低いレーザーパワーレベルまたは比較的大きなスポットサイズによりパワー密度が低すぎると、レーザーはまったく機能しなくなります。処理される材料に関連するレーザーのパワー密度を理解することは、システム全体がどのように機能するかを知るために不可欠です。
パワー密度方程式の先頭 (W/cm2) は、照射されるレーザー光の量を表します。これは、レーザーの平均または連続波パワー (またはパルスレーザーの場合はパルスエネルギー) を測定することによって実現されます。指向性エネルギーレーザーの場合、これは数十kW、さらには数百kWのパワーを意味します。これを判断するのは難しいと思われるかもしれませんが、これほど高いレーザーパワーを測定するデバイスがあります。従来の水冷サーマルセンサーは、1kW～30kWのレーザーパワーを±3% NISTトレーサブルな精度で測定できます。さらに、前述の120K-Wパワー測定システムは、水温差の熱量計測定を使用して、10kW～120kWおよび直径最大200mmのビーム サイズで±5%のNISTトレーサブル精度でレーザー平均または連続波パワーを測定します。
パワー密度方程式の一番下は、レーザーのビームプロファイルの測定値です。ビームプロファイリングは、レーザーの品質に相関するレーザー特性の集合であり、通常はレーザービームのサイズと形状、およびビーム全体の空間分布またはエネルギー分布で構成されます。レーザーの品質は、特にレーザーの集光能力を示すレイリー長、M2、ビームパラメーター積 (BPP)、K値などの苛性測定によって測定することもできます。レーザー光源が開発されるとき、メーカーは購入するレーザーの品質を示すために、製品仕様にこれらの評価を1つ以上含めます。たとえば、値1のシングルモードガウシアンレーザーのM2評価は、可能な限り最高品質のレーザーを示します。
結論
我が国を守るために軍人が危険にさらされなくなる日はすぐそこまで来ています。高出力の指向性エネルギーレーザーシステムは、脅威を無力化するための効率的かつ効果的な方法であることが証明されています。しかし、数kWのレーザーの熱効果や周囲環境の影響により、レーザーシステム内では常に変化が発生します。これらの変更がシステム全体のパフォーマンスにどのような影響を与えるかを理解するには、システムのパフォーマンスを測定する必要があります。これらの測定を実行するためのツールが利用できるようになり、その結果、システム設計が改善されます。