2μm军用激光测距机
2μm军用激光测距机
作者:无
一、引言
1.06微米Nd:YAG激光测距仪机已成批生产,大量装备部队。但此类测距机(包括0.69μm的红宝石测距机)还存在一些缺点,其中较为突出的是:①1.06微米和0.69微米的激光对人眼不安全;②这两种波长的激光穿透战场硝烟和雾、霾的能力差。
近年来,人们针对这两点做了大量的工作,大多数工作都集中在二氧化碳激光测距上。虽然10.6微米波长的激光性能较为优良,在车载和机载测距机应用上很有前途,但对便携式测距机来说,二氧化碳激光器就过于庞大。因此,人们在研制二氧化碳测距机的同时,一直在发展另一些固体激光器,用来制作步兵便携式激光测距机。期望这类测距机既能避免以上两个问题,又能保持Nd:YAG激光测距机的轻巧、紧凑、稳定和牢固等优点。这样的激光测距机称为第二代固体激光测距机。
制作这种测距机的材料中,最受重视的一种是发射2.06微米波长的αβHo:YLF。本文将就Ho激光测距机的有关问题进行一些讨论。
二、αβHo:YLF激光测距机的发展概况
早在七十年代初,美国国防部就非常重视Ho激光器,并打算用这种器件制造5磅重的便携式激光测距机。同时还专门为此研制了室温工作的HgCdTe光电二极管。这种检测器在2微米处的量子效率为60%,噪声等效功率为2*10-12哇/赫。1973年的研究工作指出,尽管可能存在严重的二氧化碳吸收,使用Ho激光器和HgCdTe检测器仍可得到适当的测距性能。1974年,美国陆军电子司令部下属的战斗监视和目标捕获实验室已研制出一种可用于激光目标指示器的Ho:YLF激光器,其重复频率为20赫。这台器件除重量稍大于12磅外,其它各项指标都比得上已用于激光目标指示器的Nd:YAG激光器。
七十年代末期,美国无线电公司按美国陆军电子司令部合同规定,对2微米激光测距机技术进行了较为全面的研究。其接收器采用两级热电冷却器冷却到-43℃的HgCdTe元件。制作了一台用热电冷却器维持在30℃的Ho激光器,重复频率为每秒一次。公司得出如下结论:①用输出能量为20毫焦耳的Ho激光器和峰值响应在2.1微米的HgCdTe检测器可以制成性能可靠的军用测距机,他在3公里的能见度条件下,对反射率为10%的目标有3公里的测距能力。这完全比得上外形尺寸和重量相当的、用Nd:YAG激光器和硅雪崩检测器做成的测距机。②2微米测距机的接收器可用AN/GVS-5测距机的视频放大器、距离计数器和显示器。Ho:YLF激光器可用AN/GVS-5的电源和触发电路。这些元部件已定型批量生产。不但简化了Ho测距机的研制,经济上很合算,对Ho测距机的稳定性、可靠性也有好处。③首次证实,在测距机应用上,大气中二氧化碳对2.06微米激光的吸收不很重要。还指出:要进步一发展输出能量大于10毫焦耳的Ho激光器;研制峰值响应在2.1微米的HgCdTe检测器;重视2.06微米的光学元件和膜层。
英国皇家信号及雷达研究所已研制出一种便携式Ho激光测距机。其尺寸约为20*13*8厘米³。外壳的截面近似于三角形,使用人员无论用哪只眼睛瞄准都很容易操作。实验证明:在良好能见度条件下,其性能比得上输出功率相同的Nd:YAG测距机;当能见度下降时,其性能还超过后者。这种测距机的输入能量为每脉冲12焦耳,Q开关输出能量为每脉冲12毫焦耳。
三、2微米激光测距机的优点
比起Nd:YAG测距机来,它有如下优点:
1.军事保密性更强
一般光电检测器的响应元件无法检测2.06微米辐射;反之,S-2和GaInAs对1.06微米却很灵敏,再加上1.06微米激光在大气中的散射功率很强,可以对他进行书外检测,即可用一般的检测元件发现敌方是否正在使用激光仪器。而2.06微米激光的大气大气散射较弱,即使有敏感的检测器也很难对它进行束外检测,因而提高了军事保密性。
2.对人眼更安全
眼睛对不同波长光的透过率不同,对人眼安全的范围是从104微米开始,一直到较长的波长。
3.大气传输性好、对战场硝烟穿透力强
Ho激光波长的大气透过率由于Nd激光波长的大气透过率,不亚于二氧化碳。2.06微米光的穿透性能稍次于10.6微米,而远优于1.06微米。
4.照射均是目标时对比度大
军用激光,总是希望均是目标对它的反射率尽量大,而典型的背景,如泥土、草地、树叶对它的反射率尽量小。
5.其它优点
Ho激光测距机可制成便携式,而二氧化碳则很难。二氧化碳测距机的探测器必须冷却到-196℃,要附加一个高压氮气瓶。Ho测距机可用Nd:YAG测距机电源、触发线路以及许多为Nd:YAG测距机设计的元部件。
四、YLF的特点
1.物体性能
YLF的一般热学、机械和光学特性虽然不及YAG,但比钕玻璃好得多。
最近美国桑德斯公司证明,在热透镜和放大自发发射(也就是储能能力)方面YLF大大优于YAG。放大自发发射也称为超辐射,可严重地减少高增益介质中反转粒子数,而热透镜效应可减少谐振腔内的模体积,从而导致光束畸变,减少输出功率。
2.激光特性
αβHo:YLF用Ho3+作激活离子,Er和Tm作敏化离子。把Ho离子泵浦到激光上能级的过程是:铒离子吸收一个能量大约为19000厘米的光子跃迁到能级。这一能级的离子衰变到4,同时激发一个Tm离子到3H4.Er又弛豫到4,激光第三个Tm离子到3H4.因此每个泵浦到4S的Er离子都能激发三个Tm离子到3H4。在声子的帮助下,Tm离子把他们的能量传给Ho,使Ho跃迁到5能级,即激光上能级。所以Ho激光器的量子效率是300%。
Ho激光下能级近在基态之上340厘米处,因而在室温下是准三能级系统。当温度升高时,激光下能级的粒子数增加,要使激光棒产生激光作用就必须加大泵浦,增加激光上能级的粒子数。这样就提高了阈值。
在一定条件下,温度每升高1℃,阈值就升高0.3焦耳。另外,对三能级的αβHo:YLF,Ho离子总数愈少,达到粒子数反转的泵浦能量愈少,激光阈值也愈小。我们希望用最低的Ho浓度来获得给定的输出能量。这样可以减少泵浦能量,降低激光棒的热负荷,使冷却问题得到缓和。
αβHo:YLF的激光特性,如阈值和斜效率等与激光离子和敏化剂离子的浓度都有关。其中①、②、④号棒是长脉冲工作。③号棒是Q开关工作,其斜效率为1.4%,但减少输出镜反射率时,已观察到4%的斜效率。
五、αβHo:YLF激光器
Ho激光器与我们熟知的Nd:YAG激光器基本相同。我们着重讨论以下几部分:
1.泵浦
αβHo:YLF的激励光谱曲线表示在给定波长下,吸收的泵浦辐射能转换为激光波长的荧光的效率。1500托疝闪光灯的发射光谱图与Ho激光棒的激发光谱图匹配的表较好,实验表明3000托的疝灯匹配更好。有用的泵浦辐射大部分处在0.28-0.57毫米间。要增加闪光灯在这一波长区的发射,就要去有高电流放电成形网络,实现200微秒的泵浦脉冲。泵浦腔用铝制作,这样有利于热传导,且重量不大。泵浦腔内表面用真空淀积铝,以保证在泵浦带有高的反射率。用紧包腔可以获得较好的泵浦效果。
2.冷却系统
以上我们已提到,激光棒的温度升高,激光阈值就要提高。若保持输出能量不变,温度高时就须加大泵浦能量。可见,对重复脉冲Ho激光器,冷却是很重要的。闪光灯和泵浦腔是传导法冷却,闪光灯产生的热量由铝制腔壁吸收并传给基座上的散热片。
激光棒用热电冷却器冷却。热点冷却技术较为成熟,占的空间小,不影响泵浦效率。激光棒用“O”形垫圈安置在蓝宝石管中。棒和管之间有一层液体膜。棒中产生的热量传给蓝宝石管,然后沿着管子传到热电冷却器冷端。热电冷却器安置在与泵浦腔隔离的散热片上。当闪光灯输入能量为每脉冲20焦耳时,之哟啊给热电冷却器输入6瓦电能就能将激光棒(工作重复频率每秒一次)的温度保持在30摄氏度。
3.Q开关
因为原先没有2微米的可饱和吸收染料,所以目前的器件都是电光调Q和转镜调Q。对光电开关而言,由于从Er和Tm到Ho的能量专一时间大于微秒,用通常方法开关普克尔盒时,易产生多脉冲,哟啊消除多脉冲就要用方波来驱动普克尔盒。另外,为减少剩余延迟的影响,必须在普克尔盒上加一个负补偿电压;为消除后滞脉冲,可以再调Q以后再把电压生回电压。
六、接收器
2微米测距机接收器的核心部件是热电冷却的光导HgCdTe检测器,另外还有聚光透镜、滤光片、前置放大器、视频放大器以及距离计数器。该接收光学系统由双胶合消色差物镜和带通滤光片组成,由检测器形成扬光阑。物镜是一个标准的双目望远镜的消色差物镜,对可见光的聚焦长度为190毫米,对2.06微米的聚焦长度为197毫米,2.06微米的透过率是65%。滤光片是从1.9到2.6微米的带通滤光片,在2.06微米处的透过率是80%。由于这个带宽的最大背景噪声可以忽略不计,所以不用选择更窄频带的滤光片。
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