军事高技术-激光

第四节军用激光技术（二）激光技术迅速用于军事1962年激光测距1、苏联起步较早，但隐而不露；2、美国三军竟相研究。3、1964年，钱学森院士提议意译为“激光”激光Laser-受激辐射的光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（一）第一台激光器的诞生1960年7月，美国科学家梅曼发明了世界上第一台激光器——红宝石激光器。1961年我国制成首台激光器。激光在军事上的应用激光测距激光制导激光通信激光武器激光基础知识什么是激光光怎样产生产生激光的条件激光的产生过程激光的特点激光器的种类激光技术一、激光概述（一）什么是激光？•LASER:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation•激光是受激辐射过程中产生的、被放大了的光1、物质结构和能级低轨/低能级高轨/高能级（氢）原子能级图2、受激吸收与高轨低轨电子自发辐射高轨低轨电子光子能量刺激多能级的跃迁和自发辐射⊕⊕⊕光子受激吸收过程自发辐射过程光子E=E1-E0=hvE=h·vE0E1E1E0基态激发态(h为普朗克常数）图5-32自发辐射E1-h=E0图5-31受激吸收E0+h=E1普通物质一般靠自发辐射发光外来能量激发使原子跃升至高轨道呈高能级——受激吸收。普通物质被激发到高能级上的原子极不稳定，只能维持1秒/1亿—10亿，然后立即自动跃回低能级——自发辐射一个光子而发光。自发辐射特点：各个原子独立完成上述过程，互不联系，产生光子的自发辐射步调极不统一（如阳光、灯光）时间先后能量分散波长长短∴颜色混杂方向不同全向辐射∵激光是受激辐射产生的。有些特殊物质处于高能级上的原子能滞留较久（1/1000秒至1秒），受外来刺激诱发可跃回低能级并释放光子—受激辐射发光，在特定装置中可被放大称为激光，其波长、相位、传播方向也完全一致。3、受激辐射在外来光子“刺激”下，受激辐射：E1-h=E0辐射前辐射后图5-33受激辐射1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念E1E2E3E1E2E3E1受激辐射光子外来光子受激辐射发光受激辐射光放大hvhvhvhvhvhvhv输入输出图5-33-2受激辐射光放大（1-2-4-8-连锁反应）“受激辐射光的放大”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即激光图5-34图5-35（二）激光产生的条件产生激光的三大要素1、要有一种特殊的激光工作物质—高能级原子能稳定较长时间的亚稳态能级物质原子高能级稳定1/1000—1秒暂态亚稳态稳态激励源（手段）加热光照电场化学能E激发激发暂态亚稳态稳态2、要有足够强的激励源，实现粒子数反转。在激光形成过程中，激励源（泵浦）的主要作用是使激光工作物质中激成高能级的原子数大大多于自发辐射回到低能态的原子数，实现粒子数反转。激励：实现粒子数反转的过程。粒子数正常分布△E0E1E2E3EE1粒子数反转分布▽E2E激光工作物质受激吸收后会发生粒子数反转。粒子数反转是其受激辐射光放大的必要条件。粒子数反转：产生激光的必要条件轴线输出激光图5-36光学谐振腔（1）维持光振荡，起到光放大作用。（2）使激光产生极好的方向性。（3）使激光的单色性好。谐振腔的作用：3、要有一个激光形成过程（一）未激励，粒子数△（二）激励后，粒子数反转，呈▽分布。（三）受激辐射，光放大（四）光学谐振（五）动平衡，稳定输出激光束反复光放大统一步调稳定输出的条件：光的放大量=输出量+衰减量（三）激光的特点（与普通光相比）1、方向性好（发散角小）2、亮度极高3、单色性好（颜色纯）4、相干性好5、光速传播6、衰减严重（在雨、雪、雾、风沙中-55%/公里）1、方向性好因谐振腔的作用激光的发散角非常小，约几分。光束非常集中，准直而平行，经聚焦，基本上是一束平行光。探照灯→月球，光斑直径3000公里激光→月球，光斑直径2公里2公里隧道，准直误差15mm射程20KM光斑直径20—30CM2、亮度高亮度：单位面积的光源向某一确定方向的单位立体角内发射的光功率。光源功率发射角发光面积亮度（瓦）（弧度）（cm²）（瓦/cm²立体角）太阳410264π立体角251023130汞弧11044π立体角1103氦氖激光110-2310-4弧度1106红宝石激光10510-3弧度1410113、单色性好（=谱线宽度/波长范围小）色光波长范围（Ǻ）谱宽（Ǻ）红6470-76001130橙5880-6470590黄5500-5880380绿4920-5500580青4550-4920370蓝4300-4550250紫3800-4300500同位素氪灯激光产生前单色性最好0005氦氖激光632810-7氦氖激光6328Ǻ10-7可见光0.4-0.76微米军事高技术综述4、相干性好：电灯的光中光子排列不整齐，步调也不一致。而激光，像队伍一样整齐划一地前进。（四）激光器1、激光器的基本组成一台激光器是由工作物质、谐振腔和激励能源(泵浦)组成。工作物质具有一定的能级结构(存在“亚稳态能级”)，可在泵浦的作用下实现粒子数反转。不同的激光器工作物质不同。光学谐振腔在工作物质的两端安置两面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反射镜，这两面反射镜及它们之间的空间称为光学谐振腔。泵浦(即激励能源)的作用是为工作物质提供能量，使其原子或分子发生粒子数反转分布。按激励方式分类，有光泵激励、电激励、热激励、化学反应激励、核激励激光器等。激光器的种类按运转方式分类，有脉冲激光器、连续激光器等。按工作物质分类，见下表：2、几种常用激光器激光器工作物质固体红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（Nd∶YAG）气体氦氖（HeNe）、氩离子（Ar+）、CO2液体（科研）有机染料、无机溶液（InSb）（PbSnTe）半导体砷化镓（GaAs）、锑化铟、碲锡铅、硫化镉化学（武器）氟化氢（HF）、氟化氘（DF）。（CdS）二、军事应用激光技术在军事上的运用（一）激光测距（二）激光雷达（三）激光通讯（四）激光制导（五）激光侦察（六）激光武器（一）激光武器•利用高度集中的激光辐射能量直接杀伤和破坏目标的武器。•发展激光武器正在成为确保国家安全的一个重要措施。（1）不需要提前量，“说时迟，那时快”。特别适合攻击高速运动的目标。（2）最显著的特点是，不需计算射击诸元（不需要计算弹道），“指哪打哪”。（3）不产生后坐力（4）效费比高（5）不受电磁干扰1、激光武器的特点弱点：随射程增大毁伤力减弱，功率大的笨重。烟尘、云雾、雨雪天气都是难以逾越的障碍。（2）激波效应光束汽化反作用力（断裂）2、激光武器的杀伤破坏原理（1）烧蚀效应高能——高温、高压------气化、膨胀、穿孔、燃爆低能——致盲（3）辐射效应（3）辐射效应光束紫外线X射线高温---电离目标表面辐射破坏其电子元件3、激光武器的应用电源（1）低能激光武器（激光轻武器、单兵激光武器）a）激光手枪第一支激光手枪是用红宝石激光器制成的用途：可在几米内烧毁衣服、皮肤且无声响。也可使人在不知不觉中致盲，近距离内引爆，破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器。b）激光枪用途：可在更远距离内使人致盲引爆。破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器且无声响、效益高。低能激光武器是以烧蚀人眼视网膜和人体表皮、破坏敌方光电传感器为攻击手段的。c)激光致盲器发射一较强激光，烧坏敌人眼睛，使之致盲的武器激光致盲器是马岛战争真正进入实用阶段的激光武器。呀！我的眼看不见了！利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目标的武器。主要有：（2）高能激光武器（又称强激光武器、激光热武器、“死光”武器、激光炮、“光炮”）防空激光武器——攻击目标为飞机、巡航导弹；反卫星激光武器——攻击目标为低轨道卫星。反导激光武器——攻击目标为战略导弹。控制系统美国已经将激光武器研究作为武器发展的主流方向美国目前的高能激光器计划包括机载激光ABL、天基激光SBL、地基激光THEL和舰载激光武器。未来10年极有可能部署机载激光武器，地基和机载激光反卫星武器。未来第2个10年将部署更为先进的飞机自卫激光器和无人机载战术导弹防御武器。未来第3个10年可能部署光子战斗机和天基全球精确光学武器或空间中继激光武器。美军移动型战术高能激光系统（THEL）的激光发射部分机载激光武器(ABL，AirborneLaser)项目，目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹，是美国优先发展的项目。（二）激光测距1、激光测距原理激光特点（方向性极好、单色性好）+激光传播特点激光在传播过程中的三个特性：（1）定向辐射和接收；（2）遇到障碍物反射；（3）以光速传播：计算公式L1/2ct；tn/f(式中，c-光速30万公里/秒；n-脉冲个数；f-计数器脉冲重复频率)激光测距仪的使用，提高了武器的首发命中率。各武器的火控系统首发命中大于80%卫星跟踪测距仪2、激光测距的优缺点：（1）距离远精度高（2）速度快数秒（3）体积小重量轻（4）抗电子干扰能力强（5）主要缺点是受天气和战场烟尘影响大，因此不能全天候使用美军激光指示仪/测距机1、大气激光通信调制器Laser放大器光电转换器解调器放大器发射机接收机发话器受话器发射望远镜接收望远镜大气传输（三）激光通信以激光做载波通信：大气、空间、水下、光纤优点：抗干扰能力强，保密性好，因为激光传播时发散角很小不易被探测。结构简单，通信轻便容量大。缺点：在大气中传输，激光衰减严重，天气影响大，且光束狭窄，只能直线传播，通信距离范围受到限制。2、空间激光通信如卫星与卫星、飞船间的通信。在外层空间接近真空的环境下进行的激光通信。激光在真空中传播衰减小，可用小功率激光器实现远距离通信。优点：Laser利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。美国于1981年在圣地亚哥附近海域上空12000米与水下300米处潜艇用兰绿色激光通信并获成功3、水下（对潜）激光通讯此前，对潜通讯使用长波（波长10—100km），它穿透海水深度仅30m。使用兰绿激光（4600-5300Ǻ）对潜激光通讯，可穿透海水深度达千米。对潜激光通讯的优点：（1）激光通讯传递信息的速度比长波通讯快几万到几十万倍。（2）保密性好，不易受干扰。（3）激光发射机位置极不明显，不易受攻击。水下（对潜）通信4、光纤通讯（1）结构：将石英石制成细丝作芯。芯的直径约5-80um，包层直径80-200um。芯的折射率略大于包层。（2）优点：1）通讯容量大；2）抗干扰能力强，保密性好；3）重量轻，体积小；4）耐高温，抗腐蚀，电绝缘，不怕潮湿，不受大气影响；5）节省大量有色金属，成本低；6）信号传输损失小。（四）激光侦察1、战略激光侦察（1）空间激光侦察（2）高空激光侦察2、战术激光侦察1）激光夜视仪2）激光告警3）激光探测器弹药库枪械库值班室围墙激光器激光束激光告警示意图反射镜（五）激光制导激光制导波束制导（驾束）半主动寻的制导主动寻的制导激光制导的优缺点（1）精度高激光制导炸弹圆公算偏差达1米左右（2）抗干扰能力强（3）结构简单，成本低；可快速连续射击（4）受天气影响大；目标长时间暴露，生存能力差；探索能力差。（六）激光雷达1、激光雷达组成和工作原理VVrVL激光器敌机飞行轨迹激光雷达组成：发射、接收、测量-控制、电源部分。测速原理（多普勒效应）f2Vr/Cf式中，C-光速；f-多普勒频率；f-激光频率；Vr-径向分速度。测速方法波长频率（Hz）目标运动速度多普勒频率微波雷达3cm110101cm/sec067氦氖激光06m510141cm/sec331042、激光雷达的优缺点：（1）分辨力/率高，图象清晰，能识别小目标；（2）抗干扰能力强，可探测超低空飞行目标；（3）体积小，天线直径与波长成反比；（4）具有较高的测速、测角精度。（5）局限性：激光发散