高能激光武器虚拟仿真实验

实验简介：

激光武器是未来战争的颠覆性武器，是我国国防发展的重点方向。激光武器采用高能激光对远距离的目标进行精确射击，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。培养激光武器系统方面的专业人才是国家国防建设的迫切需要，也是南京理工大学的责任和使命。南京理工大学的光学工程学科是国家重点学科，2015年，学校依托光学工程系组建先进固体激光工信部重点实验室，从事高能激光武器的教学、科研和人才培养工作。

本实验项目利用教师团队在高能激光武器系统教学和科研方面的长期的积累和前沿技术，将科研成果转化为实践教学资源，通过虚拟仿真现实技术引导学生学习激光器原理以及激光武器系统的相关知识，通过虚拟仿真的手段让学生观察到激光毁伤目标的完整过程，观察、测量到系统参数对激光发射系统毁伤目标的影响。

实验背景：

在光学工程本科专业的教学中，激光武器系统设计、激光毁伤效能评估是南京理工大学光学工程专业的核心教学内容，《激光原理与应用》是专业的骨干课程，其中高能激光器、高能激光发射系统、高能激光传输及毁伤，涉及的理论知识点多、技术复杂，学生理解起来难度大。

教学过程中，高能激光武器系统以及相关的高能激光器、激光发射、激光传输与毁伤等内容无法开设实体实验，不仅因为代价太大，还涉及到难以解决的安全、保密、实验结果观测等问题。传统上这部分教学内容多以理论授课为主，教学效率低、学生体验差。

设计原则：

a)采用“情景模拟”的任务驱动式教学，将实验任务融入情景中。本实验项目将高能激光武器系统设计放置于三个实际情景中（激光扫雷、反无人机、反导弹），并通过毁伤目标这一实验任务驱动学生去探究并完成实验，同时将课堂上所学的理论知识与具体工程任务相联系，并利用软件来仿真实验场景，使得学生们能够快速掌握实验目的和教学内容。

b)采用“随机出题”的互动式教学，提高实验的趣味性和互动性。本实验项目在综合设计环节采用了“随机出题”的设计原则，即不同学生开展实验，或学生多次开展实验，实验任务的毁伤目标及部分参数随机给定，提高了学生参与实验的互动性和趣味性，也避免了抄袭答案的现象发生。

c)采用“线下线上相结合”的混合式教学，在线下通过学习到的知识进行参数设计，在线上观察所设计激光武器对目标的毁伤效果。本实验项目通过采用“线下线上相结合”的混合式教学，提高了学生发现问题并解决问题的能力，也增强了学生自主学习的积极性。

实验目标：

a)帮助学生掌握激光器的组成、工作原理，通过实际案例使学生深入观察高能激光武器系统对不同目标的毁伤，理解高能激光的产生、发射、传输及毁伤的机理；

b)帮助学生熟悉高斯光束的空间传播，根据实验任务设计高能激光发射系统主要系统参数，并观察、计算发射系统参数对激光毁伤目标的影响，理解激光发射系统参数的设计原则和设计约束；

c)帮助学生理解光纤激光器的组成及工作原理，掌握激光器输出功率、泵浦转化效率的计算方法，根据实验任务设计泵浦、增益光纤以及谐振腔参数，并观察上述参数对激光器输出特性的影响，进一步理解光纤激光器的作用机理；

d)帮助学生理解高能激光武器系统参数对毁伤的影响，通过多参数组合优化设计，提高学生在高能激光武器系统的总体设计方面解决复杂问题的能力。

实验要求：

高能激光武器虚拟仿真教学软件；

学生和教师用电脑：带有独立显卡的笔记本或台式电脑；

互联网的网络环境。

本实验项目的预设参数包括：

环境参数设置：激光在大气中的透过率；

目标参数设置：目标处距离；

近距离武器发射系统参数设置：激光模块出射功率和波长、光纤纤芯半径和数值孔径；

中距离武器发射系统参数设置：激光子模块出射激光功率、波长和线宽、衍射光栅周期、发射系统主镜和次镜焦距；

远距离武器发射系统参数设置：激光子模块出射激光功率、波长和光束质量因子M2、发射系统次镜焦距；

近距离武器激光模块参数设置：YDF长度、泵浦吸收系数、OC反射率；

中距离武器激光模块参数设置：泵浦吸收系数、泵浦功率；

远距离武器激光模块参数设置：泵浦吸收系数、泵浦功率、信号光输出功率；