眼睛安全的军用固体激光测距机
眼睛安全的军用固体激光测距机
作者:简莉
目前战场上广泛装备的激光测距仪机的缺点已被人们广泛认识, 这些缺点是对人眼很不安全在烟雾中的传输性能差与热成象夜视瞄准镜的匹配性能差。因此, 研制新一伟军用激光测距机的问题提到了日程上。激光测距机可作为新一代军用激光测距机的优逸者, 这种激光测距机用于坦克测距特别理想, 因为可以利用坦克车辆电源来致冷探测器。对依靠电池供电的手持激光测距机而言, 要用电池来致冷深侧器, 并且要在测距之前, 在极短的时间使探测器致冷下来, 有很大困难。因此, 美国陆军夜视和电光实验室的激光部升展了。眼睛安全的手持激光测距机” 研究计划, 美国国防部一也将眼晴安全激光测距机薇光材料的研制列入了国防部年军用激光研究发展计划。目前研究的眼睛安全激光测距机激光材料有饵玻璃工作波长熨效米掺饵的, 工作波长微米, 由美国血,和国际激光系统公司研制掺钦的, 工作波长“ 微米, 由美国无线电公司研制, 以及休斯公司研制的工作波长为微米的喇曼频移激光器在上述的激光材料中, 是近年研制成的性能可与相比的一种激光晶体, 乡晶体仅能用电光开关调制, 而。晶体可用电光开关和转镜开关调制美国无线电公司研制了温差电致冷的HO:YLF激光测距机的实验样机,下面简要介绍这一实验样机。
一.温差电致冷的HgCdTe接收机
HO:YLF实验型激光测距机的接收机由两级温差电制冷的光导型HgCdTe探测器、接收透镜,带通滤光片、前置放大器和距离计数器组成。
1.探测器/前置放大器
由于灭有峰值响应波长为2.1微米的好的探测器可以利用,HO:YLF实验型激光测距机利用了峰值响应波长为3.7微米的光导型HgCdTe探测器,并将该探测器安装在一个两级的温差电致冷器上,封装在带蓝宝石窗的TO-3管壳中。
光导型HgCdTe探测器的噪声光谱曲线显示了探测器有大约400千赫的滚降频率。为了分辨多目标, 测距机要求10-20兆赫的带宽。频率响应率随增加而减小的量约为每倍频程6分贝。为了得到平坦的频率响应, 探测器后面的前置放大器的增益在10千赫和400兆赫之间, 每倍频程增加6分贝前置放大器的总带宽为20兆赫。探测器升压前置放大器组合后的总的均方根噪声的测量值为毫伏, 脉冲响应时间的测量值为毫微秒。等效噪声功率的测量值为30-40毫微秒。
探测器前置放大器后面的视频放大器采用改进的AN/GVS-5型手持激光测距机的视频放大器这种视频放大器在兆赫的带宽内有分贝的增益, 用于接业脉冲的闭值探测距离计数器也采用标准的AN/GVS-5型激光测距机的计数器, 距离测量和显示的精度为士10米。
2.接收光学系统
接收光学系统由胶合的双消色差物镜和滤光片组成。物镜是一标准的7*50双目消色差物镜,可见光的焦距为190坏;在2.06微米波长,焦距的测量值为197毫米,透过率的测量值为65%。滤光片的带通宽度为1.9-2.6微米,在2.06微米波长,透过率为80%。选择宽带滤光片的原因是,这种滤光片对2.06微米光的透过率比窄带滤光片好,计算表民个,用着红宽带宽的滤光片,探测器的背景噪声也可以忽略。
美国无线电公司研制成采用LiNbO3普克尔盒Q开关和转镜Q开关的1PPS温差电制冷的Ho:YLF激光器,并且验证了这种激光器作为小型激光测距机的发射机在军用环境中工作的可靠性。因为转镜Q开关的Ho:YLF激光器是美国无线电公司自行研制的,下面我们仅介绍根据合同研制的LiNbO3普克尔盒Q开关Ho:YLF激光器。
美国无线电公司研制的1PPS LiNbO3普克尔盒Q开关Ho:YLF激光器,采用Er和Tm为敏化离子,Ho离子的掺杂浓度为0.34%的YLF晶体棒。在激光器的设计中,聚光强/激光棒的冷却和 LiNbO3普克尔盒Q开关是设计的两个重要方面。这两个设计的特点是由Ho:YLF激光器的激光特性和Q开关特性决定的。
①聚光腔/激光棒冷却的设计
激光棒的冷却:由于用Er和Tm作为敏化离子的晶体在室温下为准三能级系统,并且阈值随温度变化约为0.3焦耳/℃,如果不冷却激光棒,阈值随温度增加,闪光灯的输入能量也要增加,约增加10焦耳-20焦耳/脉冲,因此,在Ho:YLF激光器中,即使是在1PPS的低重复频率工作时,激光棒的冷却亦很重要。
该公司用二级的温差电致冷却器Ho:YLF激光棒,将棒产生的热量通过二级的温差电制冷器传导到安装在聚光腔上的散热片上。设计的方法是将3X30毫米圆柱形Ho:YLF激光棒,用热导率约7倍于YLF晶体的蓝宝石套管套柱,蓝宝石套管的尺寸为46毫米*6毫米*3.2毫米,激光棒纵向地放置在套管中心,两端用硬的硅树脂O形垫圈支撑,棒和套管的间隙中充以稀薄透光的热传导介质;乙二醇和水的混合液。蓝宝石套管通过一个BeCu套筒与一个二级的温差电制冷器连接,温差电制冷器装在聚光腔上的散热片上。这种单端散热片的温差电致冷器的设计占用的空间小,并且不影响泵浦效率。
闪光灯/聚光腔的冷却:无线电公司实验型Ho:YLF激光器闪光灯/聚光腔的冷却采用传导冷却法,将热传导到聚光腔底座的散热片上。所设计的聚光腔为铝腔,腔的底座与激光棒的蓝宝石套管和温差电制冷器分开安装,腔的内表面镀铝,以在Ho:YLF激光棒的泵浦光谱带得到高的反射率(在0.25微米波长,R>90%),腔内充以空气。闪光灯采用内径为3毫米,充气压为700托的疝气灯,疝气灯外套弧长为29毫米的石英套管。选用石英的原因在于,在Ho:YLF石英套管安装在聚光腔上,因此,聚光腔内空气所吸收的热量从适应套管传导到聚光腔壁上,再经聚光腔传导到聚光腔底座的散热片上散发到周围空气中。
前人研究的经验指出Ho:YLF激光器用紧包的聚光腔, 可以得到好的泵浦性能。可采用单灯或双灯的紧包腔, 双灯腔的优点是可平衡输入到棒上的热量, 而单灯腔具有高的泵浦效率, 两种腔体的外形尺寸相同, 但内部尺寸不同。图显示了实验型温差电致冷的单灯聚光腔的设计。
②LiBbQ普克尔盒Q开关
到目前为止,还咩有相应于Ho:YLF激光器的2.06微米波长的可饱和吸收染料Q开关可以利用,因此,实验型Ho:YLF激光器采用了普克尔盒Q开关。在Ho:YLF激光器中,使用普克尔盒Q开关最大的困难是如何获得可靠地单脉冲Q开关输出,这是由Ho:YLF激光器的激光特性和LiBbQ普克尔盒Q开关特性决定的。因为,在Ho:YLF激光棒中,敏化离子Er、Tm到Ho离子之间的能量转移时间慢(为微秒级)。因而能量存储时间长并容易出现多脉冲;LiBbQ3晶体退压后残留的滞后产生了高的腔内损耗, 甚至在加在晶体上的电压为零时在次激光器中,。开关所用的压电环会使晶体中残留滞后振荡, 加剧了多脉冲的发生。为了抑制多脉冲, 美国无线电公司在实验型激光器中, 采用带起偏器的几八普克尔盒开关, 并且在开关打开后, 还维持一个补偿电压, 以减小晶体残留的滞后损耗。起偏器选用单面布’斯特角起偏器, 而不用通常普克尔盒开关的空气间隙格兰方解石起偏器原因在于前者比后者透射性好效率高, 并且具有高的扮射率二, 因而可作为理想的布儒斯特角起偏器。
公司设计的实验型。激光器谐振腔长度约为续寸, 晶体尺寸为毫米, 半反射镜的反射率。脉冲实验表明当电源高电压调到3000伏时, 。Q开关关闭得最好, 当开关的高压调到约伏时, 晶体中残留硕蒯余偏压小于3000伏。根据前人的经验, Q开关发生在闪光灯触发后微秒,Q 开关打开的时间是10微秒。单脉冲输出维持在3-4ppm。
3.测距性能和今后的工作
用美国无线电公司设计的温差电致冷的HgCdTe接收机和输出能量为5-10毫焦的摄差电致冷的激光器组成的实验型激光测距机, 对反射率为的10%目标, 在3公里的能见距离下测距, 测距能力为米。如果用蜂值响应波长为微来, 而不是微米的’ 金探测器, 接收灵敏度可提高、倍, 测距性能可得到改进。此外, 将激光器的输出能量从、毫焦提高到毫焦, 也可进一步欢进测距性能。用输出能量为毫焦的激光器和峰值响应波长为微米的”探测器组成的激光测距机, 一对反射率的目标, 在公里的能见度下, 测距能力可达到·公里。这样的测距性能可以与目前类似尺寸和重量的激光器和硅雪崩光电二极管探测器组成的激光测距机的测距性能相比较。今后的工作是, 进一步发展峰值响应波长为微米, 等效噪声功率为一‘瓦赫’ “的、带增压前置放大器的光导型“或光伏型“探测器·进一步研究,微米波长的接收光学系统与瞄准光学系统合一的光学设计在已论证的基本性能和技术的基础上, 工程发展1pps重复频率、20毫焦输出的非转镜开关小型Ho:YLF激光器。
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