| 释义 |
【军用中小功率(能量)CO2激光技术】
早在20世纪60年代初，激光器刚问世不久，美国休斯公司就研制成功第1台原始的红宝石脉冲激光测距机。自那时以来，激光测距就成为军事上不可缺少的装备了。 激光测距已经取代了以前的一般光学测距。其基本原理就是测量激光波束从发射到达目标并被反射回来所需要的时间。实际上激光测距就是一具功能简化了的激光雷达。由于激光波束比普遍雷达波束窄、脉冲宽度为几纳秒到几十纳秒，所以脉冲激光测距机的距离分辨率和测距精度都较普通雷达高。一般军用激光测距机的精度已达到2～5m，精密激光测距甚至可达厘米量级。激光测距的测程，在近地面范围内，由于受大气衰减影响较大，一般都低于普通雷达，但在高空(或深空)及垂直程上则可很大。目前军用测距机的测程都是几千米到数十千米。激光测距机的重量也由最初的几十千克减少到几百克(目前的测距望远镜)。激光测距机大致经历了3个发展阶段，即以红宝石激光测距机为代表的原始阶段，以效率较高的Nd∶YAG为光源并采用硅雪崩二极管为探测器的实用阶段，以及最近发展的采用各种人眼安全波段的激光测距机和引入外差接收而同时实现测距、测速甚至成像的多功能观、瞄、测合一系统的第3阶段。这实际上已从单纯的激光测距发展成具有完整雷达功能的激光雷达系统，这样的系统将作为90年代战场的主要工具。激光测距的关键，是激光光源与探测元件。尽管YGA激光测距机在当前使用最多、技术也最为成熟，但由于它工作于1．06μm波长，对人眼极不安全，而且易受大气条件和战场烟尘的影响，因此使其发展受到了限制。早在70年代就提出“人眼安全”激光测距概念。在此之后，陆续出现了10．6μm波长的CO2，2．06μm波长的Ho∶YLF，1．73μm的Er∶YLE以及Nd∶YAG Raman频移1．54μm，以及直到1985年才通过美国陆军使用评价鉴定的1．54μm波长铒玻璃激光测距机。就目前技术条件来看，由于2．06μm和1．73μm波长尚未找到适合测距用的高灵敏度探测器，所以发展不快，只有10．6μmCO2及1．54μm Raman频移和铒玻璃激光测距机最受人注目，并都已达到了实用化水平。表1 Stanag 3606人眼激光安全标准 
CO2激光器与其它激光器相比具有以下优点：工作波长与今后广泛使用的8～12μm波段的红外热像仪(FLIR)相同，致使其传输性能以及穿透烟雾、雨雾、霾的能力相同，两者具有很好的兼容能力。CO2激光器(包括波导CO2激光器与TEA CO2激光器)的器件效率高，一般都在8%～10%，适合于做成高重复频率的CO2激光测距机。10．6μm波长CO2激光有良好的透过大气雾、霾和战场烟雾的能力。一台CO2激光器可以很方便地实现多条谱线输出，进行选支调谐。CO2激光波长较长，由于长波长大气湍流的去相干作用较短波长弱得多，例如在强湍流情况下(CN=10-13m3／2)，在10km的水平传输距离上1．06μm的相干接收半径只有10．06μm波长的1／25，约0．4cm。因此，在水平程近地表面的应用中，长波长极有利于进行外差接收。基于上述种种优点，我们认为未来的CO2激光技术在军事上有很大的潜力。军用CO2激光系统的发展是曲折和漫长的。早在20世纪60年代末期，M．C．Teich就完善了CO2激光外差接收技术理论，当时大家热心的是外差激光雷达与光通信系统(大气与深空)。但是由于元器件不成熟，CO2激光器的可靠性、寿命以及调制、接收等基本元件都没有过关，所以外差CO2激光技术只能进行一些基础实验研究，并未取得实质性进展。此后，到了70年代初期，由于TEACO2激光器以及波导CO2激光器的出现，并且随着解决了封闭式器件的寿命、可靠性、稳频与调谐、调制、扫描技术和宽带HgCdTe探测器及致冷等技术问题，为军用CO2激光技术第2阶段的发展奠定了坚实的基础。1974年报导了连续波调频(FMCW)外差CO2激光雷达的试验结果，不久以后，1978年RSRE报导了直接探测的脉冲CO2激光测距机，从此以后在军用CO2激光技术方面出现发展高潮。在这期间，无论是直接探测，还是外差探测的军用CO2激光系统，都有了实质性的进展。在军用CO2激光系统中，具代表性的产品有：英国费兰蒂公司的303、307、311型直接探测CO2激光测距机，外差接收305型CO2激光测距机，116型高重频直接探测CO2激光测距机，RSRE的外差CO2激光测距仪；美国GTE西尔凡尼亚公司的精密跟踪系统(PATS系统)，林肯实验室的火池(Fire Pond)系统；英国DREV公司的混合型TEA CO2激光测距机，还有法国TPCI37型直接探测脉冲式CO2激光测距机与THC198型外差式脉冲CO2激光距机以及美国Texas仪器公司的激光器／热成象仪组合测距机等等。这些CO2激光系统所采用的是TEA CO2激光器、混合型TEA CO2激光器与波导CO2激光器；探测方式包括直接探测与外差探测，激光器工作频率从1Hz到100kHz甚至更高。可以认为，目前采用TEA CO2激光器的低重频CO2激光测距机与高重频CO2激光测距机都已完成了工程发展。今后的发展方向是研制与红外热像仪全兼容的CO2激光测距系统。除了直接探测与外差探测的CO2激光测距以外，军用CO2激光的其它方面的重点是制导，战场化学遥测(测毒)与CO2激光雷达。当前，中国军用CO2激光技术也得到发展。小型TEA CO2激光器、直接与射频激励的波导CO2激光器、高重频TEA CO2激光器、混合型TEA CO2激光器、光栅调谐小型波导CO2激光器都已研制成功或通过鉴定。光伏型HgCdTe探测器已用在国产的CO2激光测距杨上，被动稳频的CO2激光器的频率稳定度已达到10－6～10－7量级，主动稳频用NH2D斯塔克池及SF8饱和吸收池技术也已有报导，同位素CO2激光器也已研制成功。但是，主动稳频CO2激光器、外差用宽带HgCdTe探测器以及探测器用的致冷技术仍未见实用产品。在CO2激光应用方面，CO2激光多路载波已研制成功，便携式脉冲CO2激光测距原理样机已通过技术鉴定并进行过多次外场试验，调谐波导CO2激光器也进行了试验等等。总之，国内军用CO2激光技术在直接探测CO2激光测距机制研究方面已达到或接近国外80年代初中期水平，但是CO2激光外差技术、接收技术研究方面则刚刚起步，正处在初期阶段。为了推动国内军用CO2激光技术的发展，今后的研究方向是：(1)在现有直接探测CO2激光测距机原理样机的研究基础上尽快实现向工程化、实用化方面过渡，同时尽早投入力量开展高频CO2激光测距机的研制工作，在高重频Co激光测距机的研究工作中尽量利用低重频CO2激光测距机已取得的成果，其最大测程定为5～10km，重复频率选取30～50Hz为好。(2)尽快开展CO2激光测距机／热像组合兼容系统的研制工作，研制工作的重点是长寿命小型高重频器件(包括催化剂)以及CO2激光与热像仪探测器共基片的研制工作(快速高响应度光导型HgCdTe探测器的研究工作)以及同步扫描技术的研究工作。(3)CO2激光的最大优势在于外差接收，因此射频波导的CW外差与混合型TEA CO2激光器脉冲外差的工作应同步进行，以适应今后不同应用场合的需要。(4)注意发展军用CO2激光系统的相关技术，例如，致冷技术、CO2催化再生技术、高重频、长寿命快速高压开关技术、光束调制与解调技术以及光束扫描技术等。(西南技术物理研究所封鸿渊撰) |