人眼安全激光测距机的一些进展
人眼安全激光测距机的一些进展
作者:朱煜 陈进榜 卿光弼 朱日宏 刘晖
1、激光测距仪与人眼安全
大多数激光测距机可能对人眼有危害。过去的30年中,研究人员一直在从事激光破坏机理的研究。在激光安全领域,不仅提供了对人眼安全的激光器,而且人眼安全激光防护可发展起来,所有对有潜在威胁的激光器仍能安全的操作。我国在国标GB7247-87中明确规定了激光产品的辐射安全、设备分类、要求及用户指南,军标GJB470-88专门规定了对军用激光器的要求和防护标准。
激光器对人眼安全性的测试是由不同激光波长下的最大允许照射极值来限制的。光谱透射率、吸收率曲线,它表明大多数可见及近红外光都可被吸收引起视网膜损伤,而人眼对1.4μm波长以上的光的透射率较低。
军标中指出根据激光系统对人的危害程度,一般可将激光器分为四类,凡对人眼危害距离为零,使用时不需要采取控制措施的定义为一类。波长1.54μm的激光对人眼最安全,属于一类安全激光器。其辐射限制是其他任何波长激光器的10²倍,是ND:YAG激光器是10五次方倍。美国和日本的标准也有同样的规定。
2.1.54μm人眼安全激光测距机
许多国家都致力于人眼安全激光测距机的研制。经过前期发展,工程实验及环境考核等测试,现已装备部队。
美国与1970年开始发展手持式激光测距机。1974年与RAC公司签约设计开发的便携式AN/GVS-5型激光测距机采用Nd:YAG激光棒,被动染料调Q开关,Si雪崩光电探测器。测距范围10公里,精度±10米,单脉冲能量15mJ。单Nd:YAG激光波长10.06μm,不仅可以穿透眼组织到达视网膜,还会通过眼部光学系统聚焦于视网膜上,对人眼具有很大的潜在威胁。因此在1977年AN/GVS-5生产初期,美国就致力于开发一种小型且波长在1.4μm以上对人眼安全的激光器。这样美国开始微型激光红外观测装置及微型人眼安全激光红外观测装置的发展。
1977年美国与RCA公司签约进行Ho:YLF(2.06μm)激光测距机的可行性研究。1979年又签约SandersAssociates公司开发人眼安全激光无线电接收机,这一系列采用Er:YLF(1.73μm)作为激光介质。在研究初期确定了四种可得到人眼安全激光器的介质,分别是Ho:YLF(2.06μm),Er:YLF(1.73μm),Er:Glass(1.54μm)和喇曼频移Nd:YAG(1.54μm)。为发展后两种最有效的技术,美军方于1983年9月签约休斯公司和光电公司,分别以喇曼频移Nd:YAG技术和铒玻璃直接泵浦技术实现1.54μm波段手持式人眼安全激光测距机方案。
2.1受激拉曼散射技术
喇曼频移Nd:YAG人眼安全激光器所用的喇曼介质有两种,甲烷和气体,在1.06Nd:YAG泵浦下,它们引起的斯托克斯波长分别为1.54μm和1.56μm,多数情况下只用甲烷,因其波长最适于人眼安全。
为达到受激拉曼散射阈值,泵浦激光器的光要通过一个透镜聚焦于喇曼介质中。若能量过大,会引起光分解过程,即当自由光子得到足够的激光能量,将引起介质原子或分子电离成为等离子体而达不到频移效果,故应尽量避免该过程的发生。这就意味着透镜焦距必须足够长,以使峰值光强低于光分解阈值。因此透镜焦距和喇曼气体盒长度都要妥善选取。
甲烷是在一定的高压下工作的,如果Nd:YAG喇曼频移激光器的重复频率做得很高,会引起高压甲烷升温,从而严重影响输出激光。研究表明,静态甲烷拉曼盒的最高频率为1Hz。为达到更高频率,可使喇曼盒中德介质处于循环流动状态,在每次出光时,光路上的喇曼介质都是扰动很小的新介质。休斯公司在这方面的研究较早。国内研制的喇曼频率Nd:YAG人眼安全激光测距机已进入生产阶段。
2.2铒玻璃人眼安全激光器
13本NEC公司则采用受抑全内反射(FTIR)实现调Q作用。FTIR理论在美国六十年代初期便得到发展,曾见到70年代Erick—SOn Laser Products公司的FTIR调Q开关产品介绍,日本NEC公司应用该技术于1990年开发出自己 J产品。这种开关是利用破坏棱镜的全反射而实现。平板玻璃平行于棱镜的内反射面,压电陶瓷与平板玻璃粘接,用压电陶瓷堆的作用使两者间隙量在2tan和0.2/zm间可调,间隙决定了入射光的透过率。当压电陶瓷上无电压时,间隙约2tan,反射率最大,此时共振腔损耗最小,当加100V电压驱动压电体伸长,间隙减小到约0.2tan,透射率增大足以破坏棱镜全内反射,腔内损耗变大,停止激光振荡,在氙灯闪光后得到最大粒子反转时,快速消除驱动电压,棱镜全反射被恢复,激光振荡建立,腔内光子数迅速增长产生巨脉冲输出。
在泵浦方式上除氙灯泵浦外,目前用激光二极管泵浦铒玻璃也得到深入研究,Kigre公司用929nm激光二极管泵浦铒玻璃激光棒,在泵浦能量17.5J情况下输出能量达1.2J。
1985年美国光电公司和休斯公司提供的样机参数如表3。在当年便接受了多种试验,两种设计均满足所有测试要求,被证明对人眼无害。随后光电公司不断提高样机的性能,扩大测程(9995米);减小重量(到1.6千克);改善供电系统等。试生产后,于1995年投入批量生产。休斯公司在这期间也生产了不同重复频率的测距机。其中重频20Hz的Nd:YAG喇曼频移对空测远机已装备在防空军队部门和意大利P81武器系统。接着又发展了一种休斯人眼安全防空系统(}Ⅱ DS),具有缩小体积,降低重量,测距精度高,改善接受控制系统等优点。1990年Hugh一公司又研制出用于防空武器系统的光电跟踪系统(EUrs),该机性能列于表4。
Kigre公司生产的重频IFIz空气冷却人眼安全铒玻璃激光器MR一253型性能列于表4。它已被用于海军的观测标杆,现在商业上也作为OEM 组件。并用于人眼安全测距仪(LI—DAR)和早期报警系统。其产品也为大多数科研院所用于基础研究。
德国也有1.54ttm人眼安全激光测远机装备部队。目标截获系统TZG—l0上的喇曼测远机性能参数。Eltro公司在此基础上又发展了单次和6Hz测距组件。日本NEC公司以FTIR为调Q开关的1.54tan激光测距机对2*2mz的目标测程达10Km,重量小于2Kg。此外俄罗斯也用相同方法研制成1.54/art激光测距机。
3 其它波长人眼安全激光器
除1.54pm波长的安全激光外,还有co2人眼安全激光器和半导体人眼安全激光器。它们的波长不在安全范围内,但是其单个脉冲能量小,对人眼无损。GaAs半导体激光器,工作于近红外区,波长0.86~0.91/an,与大气传输窗口一致。其重复频率高,单脉冲宽度窄,探测器接收到的一系列窄回波信号淹没于由日光引起的背景辐射中,可以视其为随机噪声。回波信号积累后正比于脉冲数,而噪声的增长仅为脉冲数的平方根。因此通过适当的数字信号处理技术可以有效地达到精确测距的目的。若要使半导体激光器的应用对人眼安全,则激光能量输出必须符合IEC标准,如表5,其中3A类为军用标准,1类为民用标准。中国科学院上海光机所1996年有报导已研制出波长800~90Ohm的人眼安全半导体激光测距机样机。
co2激光器用于人眼安全测距机已于1990年拟订在美国MlA2型坦克上装备。它是依据ANSI标准TB—IVIED一279提供的10.6tma辐射,IFIz重复率脉冲l0rrd/cm2输出脉冲强度来保证对人眼的安全性。该测距机实测输出强度在2.5rrd~4.5rrd/锄 之间,足以保证对人眼无害。它采用带冷却系统的Hg~ Te红外探测器,最大测距范围570o米。
4 展望
人眼安全测距技术在近20年来取得了快速发展,国内也很重视这方面的研究。今后的发展趋势应是研究更有效的途径来获得人眼安全激光,采取最佳泵浦方式(激光二极管泵浦)和调Q方式,以使人眼安全激光测距机更加小型化、智能化。
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