激光推进系统中工质与激光能量分离，光船与地面能量系统（激光器和光束发射与控制系统系统）分离。激光推进系统与传统化学推进系统相比，具有比冲高、有效载荷比大、推进参数调节范围大，发射成本低，无环境污染，激光器可重复利用等优点。激光推进技术与现在广泛应用的化学火箭推进技术无论推进原理、能量转化方式，还是系统组成和应用体系上都有本质不同。

化学火箭发动机理论上可达最高温度为4000～5000K，燃料中氧化剂的分子质量大，比推力上限为4000～5000N.s/Kg。当前化学推进技术还存在很大的缺陷，主要表现在：

①可靠性不高，飞行可靠度小于0.99；

②推进剂的质量占运载器总质量的90%以上，有效载荷仅占1%左右，价格昂贵，运输费用高，低轨道单位质量有效载荷约11000～22000美元/kg；

③发射运转模式复杂，不易操作，发射准备周期长；

④许多主力火箭使用有毒、有污染的推进剂。

对比之下，激光推进技术的优势为：

①降低了发射成本，提高了发射的可靠性和成功率；

②采用无毒推进器，本身不会造成对大气环境污染。随着激光功率的提高，可以成倍地提高运载能力；

③特别适合作为小卫星和许多轻型飞行器的推进系统，并且能够多次使用，发射灵活，无需长周期准备，可用于应急通信、军事侦察等卫星的快速发射；

④激光推进还可应用到卫星姿态调整和清除太空垃圾等领域。

⑤具有比冲高、比推力大、有效载荷比大、推进参数调节范围大的特点。

⑥理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限，这在深太空探测中具有重要意义。

激光推进可产生10000～20000K 的高温，推进剂分子质量小，比推力可达20000N.s/Kg。并且理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限，这在深太空探测中具有重要意义。

随着激光技术的发展，大功率激光器技术日益成熟，使得激光推进技术在航天运载发射、卫星与飞行器空间机动等方面有着广阔的应用前景，可广泛用于微小卫星 近地轨道发射、地球轨道碎片清除、微小卫星姿态和轨道控制、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务等领域。激光推进技术应用前 景广阔，是国内外新型高效航空航天推进技术研究的前沿和热点。

当前，激光推进器的研究尚属于概念研究阶段。广泛利用TEA脉冲CO2激光器地基发射进行激光推进技术研究，由于受到推进激光功率较低，地基激光器设备 庞大，远距离激光引导定向困难，光船设计需要耐超高温材料等问题，使得激光推进技术距离工程应用尚有时日。TEA脉冲CO2激光器应用于激光推进技术时， 其光束质量较差、远场发散角较大，电光转换效率低下、发热量较大，激光器体积相对庞大等缺点日益暴露。需要探索新型激光器用于激光推进技术研究。

应用高功率光纤激光器，研究地基光纤激光器光纤引导激光推进、天基光纤激光器激光推进和将光纤激光器设计于光船之上的激光自推进技术，可以为激光推进技术研究开辟新的研究方向，对于推动当前激光推进技术研究具有重要意义。

基于激光推进技术的优点，采用激光推进技术发射微小卫星是一个国内外航空航天领域都非常感兴趣的课题，具有十分重大的意义。应用高功率光纤激光器的激光推进技术，可以实现把超小型通信或侦查卫星送入地球同步轨道。这在战事军事侦查， 通信网修复或者抢险救灾应急通信中都具有重要意义。在2008年5月12日的汶川地震和2013年4月20日的雅安地震中，由于移动通信网遭到破坏，使得 震区通信系统瘫痪，多处地区成为通信盲点，无法与外界联络，此时若能利用激光推进技术，快速发射微小通信卫星用于应急通信，对于抢险救灾必将具有重要意 义。一旦激光推进发射技术发展成熟，还会带动高分辨成像、保密通讯、全球定位等技术的快速发展。

在外太空利用太阳能给光纤激光器提供能 量，激光推进将是卫星姿态调整、同步运行和清除空间垃圾的最经济最有效的推进方式。在深太空探测中，利用船载光纤激光器激光推进技术，能够摆脱地基激光提 供推进能量的束缚，实现更灵活推进方式，利于向更深的太空探测，对于宇宙探索具有重要意义。

早在1953年，空间技术的先驱者德国科学家E. Saenger 就预言了使用光辐射进行空间推进的可能性。1969年，美国空军火箭推进实验室(AFRPL)的R.L.Geisler 提出了利用激光辅助火箭推进的概念，相关研究成果于1972 年6 月发表。几乎与此同时，美国Avco Everett实验室的A. Kantrowitz 在Astronautics &Aeronautics杂志上发表了名为“Propulsion to Orbit by Ground-Based Lasers”的论文。他认为，利用地基激光器发出的激光束轰击化学惰性推进剂能够提供一种可以克服化学推进系统低比冲限制的新型推进方式。其基本原理是 将远程激光能量导入推进器，使推进剂工质温度急剧上升，形成高温高压气体或等离子体从喷管中喷射出来，从而产生推力。学术研究以此为激光推进概念正式提出。

2000年10月，美国伦斯勒理工学院在空军的资助下，Myrabo等研究人员利用激光推进技术发射了重50g、直径为120mm 的微型火箭，实现了持续飞行12.7s，飞行高度71m的纪录。

美国现正设计可以把飞行器发射到30km 以上高度的100kw氧化碳脉冲激光器，下一步将用更大的系统把飞行器发射到大气层边缘。估计送1Kg载荷入轨需要约 1MW功率的激光器，目前可达到的最大激光功率是几兆瓦。

除了美国进行激光推进研究外，中国、俄罗斯、法国、日本等国家也在这一领域进行了许多研究。

20 世纪60 年代初期， 俄罗斯研究人员对激光辐照导致材料蒸发产生的压力进行了研究，并于20 世纪60 年代中期开展了激光击穿和加热气体的理论研究。20 世纪70 年代，在俄罗斯科学院院士A.M.Prokhorov 的领导下，开展了激光大气呼吸推进器的研究。他们使用平均功率25W、最大单脉冲能量15J 的CO2激光器推进圆锥形的推进器沿着玻璃管运动，获得了50dyne/W 的冲量耦合系数。

法国采用氩-氧气压，加热室压力5.3*105Pa，激光器功率300W，获得0.1N的连续推力，比冲137s，发动机效率为18%。如果采用氢气，还可以提高发动机的比冲。

日本较早进行了激光推进的研究，目前已有三所大学在研究激光推进器。据报道，日本在1996年首次将空间自由飞行器（SFU）成功回收后，要在第二次飞行中完成激光在空间产生的能量的传输和激光产生的能量作为推动器推力实验，获得用激光能量进行空间推进的各种性能参数，以便推动实际应用。2002年日本 研究人员报道了用连续 CO2激光实现推进的实验结果，在真空中测得的能量转换效率达到37%。同时，还报道了用于推进的激光等离子加速机理的研究。

我国从九十年代开始激光推进技术研究，起步较晚。华中科技大学许得胜教授，中科院物理所张杰教授，哈尔滨工业大学王骐教授，中科院电子所柯常军教授、傅恩生教授等，分别对激光推进原理及应用进行了基础研究。中国工程物理研究孙承纬较详细地研究了大气吸气模式下空气等离子体点爆炸驱动原理。2000年以来，装备指挥技术学院洪延姬教授，华中科技大学、中国科技大学等单位开展了激光推进的理论，进行了相关的实验研究，在激光推进机理研究、激光维持爆轰波传 播过程的流体动力学数值模拟、激光束经光船内表面的聚焦性能研究、光船设计和加工、光船以吸气模式进行推进的实验方案设计取得了阶段性成果。

2001年，中国科技大学唐志平教授等研究人员应用单次脉冲激光烧蚀模式实现把一个重5.87g的模拟子弹发射到 1.48m的高度。

2003年，中国科学院电子学研究所与中国科技大学联合进行了TEA CO2脉冲激光器推进抛物面型飞行器的实验，实现了大气模式下的激光推进，垂直飞行高度超过了1m，实验测得的冲量耦合系数达到27.7 dyne·s/J。。

2004 年，我国正式立项（国家973 项目和国家自然科学基金项目）支持激光推进的研究，使我国的激光推进研究进入了新阶段。

2005 年，中国科学院电子所通过给飞行器施加一定转速的方法， 解决了自由飞行状态下激光推进飞行器飞行的稳定性问题， 并且成功地将一个质量为4.2 g、焦距10 mm 的抛物面型飞行器用单脉冲能量13J、重复频率50 Hz 的TEA CO2激光器在大气呼吸模式下推进到2.6m 的高度，飞行时间为1.75 s。

2012年12月7日我国首个激光推进及其应用国家重点实验室由科技部批准成立。实验室的依托单位为解放军装备学院和中国航天科工集团三院三十一研究所。是我国首个激光与航空航天交叉领域的实验室，主要开展 激光推进应用基础、等离子体流动控制与推进技术、推进流场测试和诊断技术等方面的研究。为我国空天飞行推进新技术创新发展提供重要保障。

当前激光推进技术研究中，通常采用YAG固体激光器(1.06μm)、自由电子激光器和TEA脉冲CO2激光器(10.6μm)作为光推进光源进行试验。

YAG固体激光器重复频率和峰值功率可以很高，但对于激光推进来说，其单脉冲能量和平均功率均较低。自由电子激光器虽然具备波长可调，功率和效率高等优 点，但要获得高质量电子束，还有许多需要进一步完善的地方：如激光阴极、射频枪、高亮度电子储存环以及光学系统等。目前各国研制的自由电子激光器，虽然峰 值功率高，但单脉冲能量小(J或mJ量级)，平均功率低，重复频率也较低，不能达到远程激光推进的要求。

TEA脉冲CO2激光器技术成熟，结构简单，功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0. 5～1kJ，重复频率为20～40Hz。TEA脉冲CO2激光器10.6μm波长激光用于地基激光推进，其大气透射率特性都具有较大优势，进行远距离传输 时，激光功率损失最小。另外，在相同的加工精度下，CO2激光器的大口径光学元件更易于加工。因此，目前CO2激光器被美国、德国和俄罗斯等发达国家选作 地基激光推进的首选激光器，其优点主要表现为：

①易于获得超高平均功率和峰值功率、高单脉冲能量；

②激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；

③工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；

④相关光学元件易于制造；

⑤运行成本低。

但TEA脉冲CO2激光器也存在明显缺点：

①CO2激光器输出激光质量较差，光束束腰半径和远场发散角较大，造成了对飞行器跟踪瞄准的困难增大，只能靠提高输出功率来增加燃料腔中的激光功率密度；

②电光转换效率低下，仅15%左右，能耗巨大；

③CO2激光器系统发热量较大，需要相应的冷却装置，由于热效应的存在，使得系统的稳定性不好；

④CO2激光器体积相对庞大，只能用于陆基。

由此，需要寻找更适合激光推进技术要求的激光光源替代CO2激光器。

20 世纪 60 年代美国光学公司(Ametican Optical Corporation)的E. Snitzer采用灯泵浦0. 012英寸(约304μm)和32μm两种直径的光纤(纤芯材料是掺Nd3+钡冕玻璃( bariumcrown glass)，包层是苏打-石灰-硅酸盐材料)，观察到了中心波长为1. 06μm的受激辐射现象。这是国际上最早报道的光纤激光器。1964年C. J. Koester和E. Snitzer又发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果的论文。

光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子 的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。20 世纪 80 年代中期英国南安普顿大学的研究人员在光纤中掺入杂质 Er3+，从此光纤激光器的研究进入了实用化阶段。

世界上有很多研究机构活跃在这个研究领域，如德国汉堡技术大学，日本的NTT、Hoys、三菱，美国的Polariod Copra-tion，贝尔实验室，斯坦福大学和GTE等。为了突破常规光纤激光器的对转化效率和输出功率的限制，1988年，Snitzer等人巧妙地 提出设计了双包层光纤。双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它比常规光纤增加了一个内包层(最早的内包层形状为圆形)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远 大于纤芯，纤芯中掺杂了稀土元素(Yb，Nd，Er，Tm等)，由于内包层包绕在单模纤芯的外围，泵浦光在内包层中反射并多次穿越纤芯被掺杂离子所吸收， 从而将泵浦光高效地转换为单模激光。双包层光纤结构对光纤激光器来说是一个具有重大意义的技术突破。此后，基于这种技术，光纤激光器获得了迅速发展，输出功率得到逐步提高。从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。1989年则又掀起了锁模光纤激光器的研究热潮。1994 年，H. M. Pask等人首先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了最大500mW的激光输出，斜率效率达到80%。此后出现了高功率用有源光纤、传输光纤、 光纤反射镜、滤波器、耦合器、隔离器和光束组合器等光纤器件。1998年，Kosinki和Inniss报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包 层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年V. Dominic等人报道了高功率掺Yb3+双包层光纤激光器的研究结果，他们用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的泵浦源，在波长 1120nm处得到110W的激光输出。2002年的CLEO会议上报道了Yb/Nd共掺的双包层光纤激光连续输出达150W。进入21世纪后，高功率双 包层光纤激光器的发展突飞猛进，最高输出功率记录在短时间内接连被打破，目前单纤输出功率(连续)已达到2000W以上。IPG (photonics)公司凭借在2000年获得的1亿美元的风险投资异军突起，展示了各式光纤激光器和放大器： S、C、L波段的各种光纤放大器、高功率的EDFA、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激光器。它推出一系列的掺Yb高功率光纤激光器，2002年5月获得 2kw功率输出，同年8月获4kw功率输出、11月获10kW， 2003年获20kw功率输出，2009年IPG公司展示了10千瓦级的单模光纤激光器，现在具有输出功率有直到50kW的系列光纤激光器产品可供选择。 英国的SPI、德国的IPHT也有极高的研发和制造水平，它们也加入到新产品的市场竞争中来。现在已经有多台千瓦级光纤激光器在美国、欧洲、亚洲投入到工业加工或科学研究中。

国内从20世纪80年代开始这个领域的研究工作，如上海光机所、清华大学、华中科技大学、中国科学技术大学、天津大学以及邮电部和电子部所属的一些研究单位，在光纤激光器、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进展。南开大学开展掺镱双包层光纤激光器的研究工作， 并取得了一系列的科研成果，特别是在双包层光纤光栅方面取得了开创性成果。上海光学精密机械研究所则在光纤激光器研制方面开展了许多重要的工作，经过对抽 运光的整形，大大提高了耦合效率，报道了百瓦量级的掺镱双包层光纤激光器，实现了高达70%的光-光转换效率。2005年，烽火通信科技股份有限公司与上 海光机所楼棋洪研究员等合作研制出440W的光纤激光器。2013年3月中科院实现全固态激光器输出功率达到8千瓦，而5千瓦级的全固态激光器已实现工业化应用。国防科技大学光电科学与工程学院刘泽金教授发明了两种新的相位控制方法，令“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”的各项技术指标都达到该领域的国际 最高水平。2013年4月23日，我国首台万瓦连续光纤激光器在武汉光谷问世，成为继美国后第二个掌握此技术的国家。这台由武汉锐科公司研制的光纤激光器采用相干合成技术，将10个功率为1.1千瓦光纤激光器的激光束合成一束，最终产生1万瓦的强大能量。

目前多利用TEA脉冲CO2激光器地基发射进行激光推进技术研究，由于受到推进激光功率较低，地基激光器设备庞大，远距离激光引导定向困难，光船设计需要耐超高温材料等问题，使得激光推进技术研究仅仅停留在实验室阶段。

科学技术的发展使研究人员逐步认识了在激光推进中的基本物理过程，针对这些难度较大的技术问题，需要应用新技术为激光推进技术研究开辟新方向。

基于光纤激光器的特点和日益提高的功率，完全可以将其应用到激光推进领域，为激光推进技术开辟新研究路径。应用光纤激光器，采用光纤激光组束技术，研究地基光纤激光器光纤引导激光推进、天基光纤激光器激光推进或者将光纤激光器设计于光船之上的激光自推进技术，是推进当前激光推进技术研究的新思路。

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