人眼安全固体激光测距机的新进展
人眼安全固体激光测距机的新进展
作者:无
目前世界各国大量装备和广泛应用的军用激光测距仪主要是Nd:YAG激光测距机,这种激光测距机发射的1.06μm波长的激光极易损伤人员的眼睛,给使用和训练带来极大困难,因此早在1977年美国陆军就开始研制人眼安全的军用固体激光测距机。在研究计划的预研阶段,研究人员对1.54μm、1.73μm、2.06μm三种人眼安全固体激光波长的测距技术和预研机样进行了性能和可实现性的分析比较,与1983年确定1.54μm波长为美国陆军的人眼安全军用固体激光测距波长。随着固体激光器技术的最新发展,近年来1.54μm波长人眼安全固体激光测距机的研制工作取得了重大进展,主要有以下三个方面。
一、性能比较
目前可供实用的军用激光测距机有,1.06μm波长的Nd:YAG激光测距机、1.54μm波长的铒激光测距机和10.6μm波长的二氧化碳激光测距机。研究人员对这3种波长激光测距机的性能进行了比较。
在对人眼的安全性方面:1.54μm波长的铒激光测距机对人眼安全性最高,10.6μm波长的铒激光测距机次之,他们均属于人眼安全的激光测距机,而10.06μm波长的激光测距机则极易损伤人员的眼睛。
在大气传输性方面:研究者对激光能量、束散角、接收孔径及探测率均相同的3种波长激光测距机进行比较试验,结果表明:在晴天(能见度为32Km时)、霾天(能见度为5km时)、小雨(1mm/h)和大雨(4mm/h)时,1.54μm波长激光的大气传输性能优于1.06μm和10.6μm波长的激光。这意味着在上述气象条件下,1.54μm波长激光测距机的最大测程大于10.6μm和1.06μm波长的激光测距机。但在薄雾(能见度为1.5km时)、中雾(能见度为0.5km时)和战场烟雾中1.54μm波长激光的传输性能较10.6μm波长的激光差。
二、降低阈值,研制新的Q开关
直接泵浦饵玻璃激光器可产生1.54μm波长激光。铒玻璃激光测距机的特点是,除偏振镜、Q开关和镀膜外,可使用普通光学材料的透镜、棱镜、窗口、分束镜等。缺点是饵玻璃激光器的闭值高、效率低, 一般不能以高重复频率工作, 目前还没有适用的可饱和吸收染料Q开关, 还要用转镜Q开关。为了克服薯玻璃激光 距机的这些缺点,研究者研制成不含硅或少含硅的掺饵磷酸盐玻璃;或采用敏化荧光技术降低阚值,提高效率。1989年曾报道了苏联研究者研制成阈值小于5 J,效率达1.7% ,在7H z 工作时平均输出功率达0.7W的掺杂敏化离子的小型铒玻璃激光器。为了提高Q开关铒玻璃激光器的效率, 消除转镜Q开关有噪声、振动和易出现多脉冲的缺点, 日本NEC公司激光部研制成功采用破坏全内反射Q开关的手持铒玻璃激光测距机,该机输出能量为7mJ,测程为100~9995m。重复频率12次/分,包括电池在内的重量小于2kg,下一步的工作是提高重复频率。美国光电子公司早在1983年就为民用产品设计和研制了LH一83型手持铒玻璃激光测距机, 并投入小批量生产和销售。1983年美陆军制定AN/PVS一6 M—EL10S (小型人眼安全红外装置)的研制计划后,光电子公司与休斯公司竞争研制AN/ PVS一6 MELIOS的预研样机。光电子公司对LH一83进行了改进和加固, 1986年提供给美陆军3O台预研发展样机。1988年9月又接受了美国陆军授予的tO台AN/PVS一6 MELIOS LH一83M3~程发展型独家台同,为初生产提供工程发展样机。首批样机于1 990年初交付,1 991年作出是否生产的决定。工程发展型与预研型相比, 最大制程由4000m增至9995m, 重量由2Kg减至1.6kg。
三、提高转接效率和重复频率
利用1.061~m波长Nd:YAC激光的受激喇曼散射也可产生1.5 4#m波长的激光。Nd t YAC喇曼激光测距机的优点是可利用现有的Nd:YAC激光器, 光学元件及可饱和吸收染料Q开关,且喇曼输出的激光脉冲宽度比泵浦激光脉冲窄。缺点是伴随受激喇曼散射会产生其他的非线性效应, 降低喇曼转换效率, 此外还必须解决喇曼盒中的高压喇曼气体介质的泄漏问题、喇曼盒放置在聚焦光学系统中光学窗的损环问题以及喇曼盒的寿命等问题。美国休斯公司的研究者对喇曼激光器及其测距机的研制作出了重大贡献。
1962年他们首先发现了受激喇曼散射}1 978年研制成1.54#m波长喇曼激光云高指示系统}1986年交付给美陆军8台AN/PV S一6 MELIO S喇曼手持激光测距机的预研竞争样机。该机的喇曼转换效率达到40%, 小型喇曼盒采用硬封技术, 经过耐压、密封和漏气、热冲击等试验, 在+85℃ ~ 一62℃ 的条件下贮存寿命迭IQ0年,较好地解决了高压喇曼介质的泄漏问题和喇曼盒窗口的损坏问题,其性能完全满足美国陆军对人眼安全便携式激光测距机的要求。为了研制人眼安全喇曼防空激光测距机,该公司的研究者研制成高重夏频率工作的、寿命超过100万次的内部气体循环小型喇曼盒和高转换效率、高性能的喇曼激光器新结构, 如 半蒈振腔喇曼激光器” 、“后向喇曼激光器” 、“腔内喇曼激光器” ,并刷导热性能比甲烷大5倍的氘喇曼介质代替通常所用的甲婉喇曼介质。
为了提高测距机的接收灵敏度,研制成接收1.54,0m波长激光的光敏面直径为50#m和75urn的雪崩型InCaA s光电二极管。在上述成就的基础上,该公司研制成休斯人眼安全防空系统的演示系统(R3D)。该系统采用半谐振腔结构的喇曼激光器, 内部气体循环的喇曼盒, 在输出能量为40mJ、束散角为0.35m rad 20Hz重复频率下, 总效率达0·35%o 1989年R3D系统完成了野外试验, R3D的改进型即休斯人眼安全防空系统(HEADs),供安装在万向支架上或车载使用,其激光性能与R3D相同,但体积减小到0·0098m , 重量减轻到9.1k8 (包括电源), 测距精度提高到±5m, 接收机和电子控制电路也进行了改进。
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