Secondo il diverso meccanismo di generazione dei laser a infrarossi a onde corte, esistono tre tipi di laser a infrarossi a onde corte, vale a dire laser a semiconduttore, laser a fibra e laser a stato solido.Tra questi, i laser a stato solido possono essere suddivisi in laser a stato solido basati sulla conversione ottica della lunghezza d'onda non lineare e laser a stato solido che generano direttamente laser a infrarossi a onde corte da materiali di lavorazione laser.
I laser a semiconduttore utilizzano materiali semiconduttori come materiali di lavoro laser e la lunghezza d'onda del laser di uscita è determinata dal gap di banda dei materiali semiconduttori.Con lo sviluppo della scienza dei materiali, le bande di energia dei materiali semiconduttori possono essere adattate a una gamma più ampia di lunghezze d'onda laser attraverso l'ingegneria delle bande di energia.Pertanto, è possibile ottenere più lunghezze d'onda del laser a infrarossi a onde corte con laser a semiconduttore.
Il tipico materiale di lavoro laser del laser a semiconduttore a infrarossi a onde corte è il materiale al fosforo.Ad esempio, un laser a semiconduttore al fosfuro di indio con una dimensione dell'apertura di 95 μm ha lunghezze d'onda del laser in uscita di 1,55 μm e 1,625 μm e la potenza ha raggiunto 1,5 W.
Il laser a fibra utilizza fibra di vetro drogata con terre rare come mezzo laser e laser a semiconduttore come sorgente della pompa.Ha caratteristiche eccellenti come soglia bassa, alta efficienza di conversione, buona qualità del fascio di uscita, struttura semplice e alta affidabilità.Può anche sfruttare l'ampio spettro di radiazioni di ioni di terre rare per formare un laser a fibra sintonizzabile aggiungendo elementi ottici selettivi come reticoli nel risonatore laser.I laser a fibra sono diventati una direzione importante nello sviluppo della tecnologia laser.
1.Laser a stato solido
I mezzi di guadagno del laser a stato solido che possono generare direttamente laser a infrarossi a onde corte sono principalmente cristalli e ceramiche Er: YAG e vetro drogato con Er.Il laser a stato solido basato su cristallo Er:YAG e ceramica può emettere direttamente un laser a infrarossi a onde corte da 1,645 μm, che è un punto caldo nella ricerca del laser a infrarossi a onde corte negli ultimi anni [3-5].Al momento, l'energia dell'impulso dei laser Er:YAG che utilizzano Q-switching elettro-ottico o acusto-ottico ha raggiunto da poche a decine di mJ, un'ampiezza dell'impulso di decine di ns e una frequenza di ripetizione da decine a migliaia di Hz.Se un laser a semiconduttore da 1.532 μm viene utilizzato come sorgente della pompa, avrà grandi vantaggi nel campo della ricognizione laser attiva e delle contromisure laser, in particolare il suo effetto invisibile sui tipici dispositivi di allarme laser.
Il laser in vetro Er ha una struttura compatta, basso costo, peso leggero e può realizzare operazioni Q-switched.È la sorgente luminosa preferita per il rilevamento attivo del laser infrarosso a onde corte.Tuttavia, a causa delle quattro carenze dei materiali in vetro Er: in primo luogo, la lunghezza d'onda centrale dello spettro di assorbimento è di 940 nm o 976 nm, il che rende difficile il pompaggio della lampada;In secondo luogo, la preparazione dei materiali in vetro Er è difficile e non è facile realizzare grandi formati;Terzo, vetro Er Il materiale ha scarse proprietà termiche e non è facile ottenere un funzionamento a frequenza ripetitiva per lungo tempo, per non parlare del funzionamento continuo;in quarto luogo, non esiste materiale Q-switching adatto.Sebbene la ricerca del laser a infrarossi a onde corte basato sul vetro Er abbia sempre attirato l'attenzione della gente, a causa dei quattro motivi di cui sopra, nessun prodotto è uscito.Fino al 1990, con l'emergere di barre laser a semiconduttore con lunghezze d'onda di 940 nm e 980 nm e l'emergere di materiali di assorbimento saturi come Co2+:MgAl2O4 (alluminato di magnesio drogato con cobalto), i due principali colli di bottiglia della sorgente della pompa e del Q-switching erano rotti.La ricerca sui laser per vetro si è sviluppata rapidamente.Soprattutto negli ultimi anni, il modulo laser in vetro Er in miniatura del mio paese, che integra la sorgente della pompa a semiconduttore, il vetro Er e la cavità risonante, non pesa più di 10 g e ha una capacità di produzione di piccoli lotti di moduli di potenza di picco di 50 kW.Tuttavia, a causa delle scarse prestazioni termiche del materiale in vetro Er, la frequenza di ripetizione del modulo laser è ancora relativamente bassa.La frequenza laser del modulo da 50 kW è di soli 5 Hz e la frequenza laser massima del modulo da 20 kW è di 10 Hz, che può essere utilizzata solo in applicazioni a bassa frequenza.
L'uscita laser da 1,064 μm del laser pulsato Nd:YAG ha una potenza di picco fino a megawatt.Quando una luce così forte e coerente passa attraverso alcuni materiali speciali, i suoi fotoni vengono dispersi in modo anelastico sulle molecole del materiale, cioè i fotoni vengono assorbiti e prodotti fotoni a frequenza relativamente bassa.Esistono due tipi di sostanze che possono ottenere questo effetto di conversione di frequenza: uno è costituito da cristalli non lineari, come KTP, LiNbO3, ecc.;l'altro è gas ad alta pressione come H2.Posizionarli nella cavità risonante ottica per formare un oscillatore parametrico ottico (OPO).
L'OPO basato su gas ad alta pressione di solito si riferisce a un oscillatore parametrico della luce a diffusione Raman stimolata.La luce della pompa viene parzialmente assorbita e genera un'onda luminosa a bassa frequenza.Il laser Raman maturo utilizza un laser da 1,064 μm per pompare gas H2 ad alta pressione per ottenere un laser a infrarossi a onde corte da 1,54 μm.
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L'applicazione tipica del sistema GV a infrarossi a onde corte è l'imaging notturno a lunga distanza.L'illuminatore laser dovrebbe essere un laser a infrarossi a onde corte a impulsi brevi con un'elevata potenza di picco e la sua frequenza di ripetizione dovrebbe essere coerente con la frequenza dei fotogrammi della telecamera stroboscopica.Secondo lo stato attuale dei laser a infrarossi a onde corte in patria e all'estero, i laser Er: YAG pompati a diodi e i laser a stato solido da 1,57 μm basati su OPO sono le scelte migliori.La frequenza di ripetizione e la potenza di picco del laser in vetro Er in miniatura devono ancora essere migliorate.3.Applicazione del laser infrarosso a onde corte nell'anti-ricognizione fotoelettrica
L'essenza dell'anti-ricognizione laser a infrarossi a onde corte è irradiare l'apparecchiatura di ricognizione optoelettronica del nemico che lavora nella banda infrarossa a onde corte con raggi laser a infrarossi a onde corte, in modo che possa ottenere informazioni errate sul bersaglio o non possa funzionare normalmente, o addirittura il rilevatore è danneggiato.Esistono due tipici metodi anti-ricognizione laser a infrarossi a onde corte, vale a dire l'interferenza dell'inganno a distanza al telemetro laser sicuro per l'occhio umano e il danno da soppressione alla telecamera a infrarossi a onde corte.
1.1 Interferenza dell'inganno a distanza con il telemetro laser per la sicurezza dell'occhio umano
Il telemetro laser a impulsi converte la distanza tra il bersaglio e il bersaglio per l'intervallo di tempo dell'impulso laser che va avanti e indietro tra il punto di lancio e il bersaglio.Se il rilevatore a telemetro riceve altri impulsi laser prima che il segnale di eco riflesso del bersaglio raggiunga il punto di lancio, interromperà il cronometraggio e la distanza convertita non è la distanza effettiva del bersaglio, ma inferiore alla distanza effettiva del bersaglio.Falsa distanza, che raggiunge lo scopo di ingannare la distanza del telemetro.Per i telemetri laser sicuri per gli occhi, è possibile utilizzare laser a impulsi a infrarossi a onde corte della stessa lunghezza d'onda per implementare l'interferenza dell'inganno a distanza.
Il laser che implementa l'interferenza dell'inganno della distanza del telemetro simula la riflessione diffusa del bersaglio sul laser, quindi la potenza di picco del laser è molto bassa, ma devono essere soddisfatte le seguenti due condizioni:
1) La lunghezza d'onda del laser deve essere uguale alla lunghezza d'onda di lavoro del telemetro disturbato.Un filtro di interferenza è installato davanti al rilevatore del telemetro e la larghezza di banda è molto ridotta.I laser con lunghezze d'onda diverse dalla lunghezza d'onda di lavoro non possono raggiungere la superficie fotosensibile del rivelatore.Anche i laser da 1,54 μm e 1,57 μm con lunghezze d'onda simili non possono interferire tra loro.
2) La frequenza di ripetizione del laser deve essere sufficientemente elevata.Il rilevatore a telemetro risponde al segnale laser che raggiunge la sua superficie fotosensibile solo quando viene misurata la portata.Per ottenere un'interferenza efficace, l'impulso di interferenza dovrebbe almeno infilarsi nel gate dell'onda del telemetro da 2 a 3 impulsi.Il range gate attualmente realizzabile è dell'ordine di μs, quindi il laser interferente deve avere un'elevata frequenza di ripetizione.Prendendo come esempio una distanza del bersaglio di 3 km, il tempo necessario al laser per andare avanti e indietro una volta è di 20 μs.Se vengono immessi almeno 2 impulsi, la frequenza di ripetizione del laser deve raggiungere i 50 kHz.Se la portata minima del telemetro laser è di 300 m, la frequenza di ripetizione del jammer non può essere inferiore a 500 kHz.Solo i laser a semiconduttore e i laser a fibra possono raggiungere un tasso di ripetizione così elevato.
1.2 Soppressione delle interferenze e danni alle termocamere a infrarossi a onde corte
Come componente principale del sistema di imaging a infrarossi a onde corte, la telecamera a infrarossi a onde corte ha una gamma dinamica limitata di potenza ottica di risposta del suo rivelatore sul piano focale InGaAs.Se la potenza ottica incidente supera il limite superiore dell'intervallo dinamico, si verificherà la saturazione e il rilevatore non sarà in grado di eseguire l'imaging normale.Potenza superiore Il laser causerà danni permanenti al rivelatore.
I laser a semiconduttore continui e a bassa potenza di picco e i laser a fibra con un'elevata frequenza di ripetizione sono adatti per la soppressione continua delle interferenze delle termocamere a infrarossi a onde corte.Irradiare continuamente la telecamera a infrarossi a onde corte con un laser.A causa dell'effetto di condensazione a grande ingrandimento della lente ottica, l'area raggiunta dal punto diffuso dal laser sul piano focale di InGaAs è gravemente saturata e pertanto non può essere ripresa normalmente.Solo dopo che l'irradiazione laser viene interrotta per un periodo di tempo, le prestazioni di imaging possono tornare gradualmente alla normalità.
Secondo i risultati di molti anni di ricerca e sviluppo di contromisure laser attive nelle bande del visibile e del vicino infrarosso e test multipli sull'efficacia dei danni di campo, solo i laser a impulsi brevi con una potenza di picco di megawatt e oltre possono causare danni irreversibili alla TV telecamere a distanza di chilometri.danno.Se l'effetto del danno può essere raggiunto, la chiave è la potenza di picco del laser.Finché la potenza di picco è superiore alla soglia di danno del rivelatore, un singolo impulso può danneggiare il rivelatore.Dal punto di vista della difficoltà di progettazione del laser, della dissipazione del calore e del consumo energetico, la frequenza di ripetizione del laser non deve necessariamente raggiungere il frame rate della telecamera o anche superiore, e da 10 Hz a 20 Hz può soddisfare le effettive applicazioni di combattimento.Naturalmente, le telecamere a infrarossi a onde corte non fanno eccezione.
I rivelatori di piano focale InGaAs includono CCD a bombardamento elettronico basati su fotocatodi a migrazione elettronica InGaAs/InP e CMOS successivamente sviluppati.Le loro soglie di saturazione e danno sono nello stesso ordine di grandezza dei CCD/CMOS basati su Si, ma non sono ancora stati ottenuti rivelatori basati su InGaAs/InP.Dati di saturazione e soglia di danno di CCD/COMS.
Secondo lo stato attuale dei laser a infrarossi a onde corte in patria e all'estero, il laser a stato solido a frequenza ripetitiva da 1,57 μm basato su OPO è ancora la scelta migliore per danni laser a CCD/COMS.Le sue elevate prestazioni di penetrazione atmosferica e il laser a impulsi corti ad alta potenza di picco La copertura del punto luminoso e le caratteristiche effettive del singolo impulso sono evidenti per il potere di uccisione morbido del sistema optoelettronico a lunga distanza dotato di telecamere a infrarossi a onde corte.
2 .Conclusione
I laser a infrarossi a onde corte con lunghezze d'onda comprese tra 1,1 μm e 1,7 μm hanno un'elevata trasmittanza atmosferica e una forte capacità di penetrare foschia, pioggia, neve, fumo, sabbia e polvere.È invisibile alle tradizionali apparecchiature per la visione notturna in condizioni di scarsa illuminazione.Il laser nella banda da 1,4 μm a 1,6 μm è sicuro per l'occhio umano e presenta caratteristiche distintive come un rilevatore maturo con una lunghezza d'onda di risposta di picco in questo intervallo ed è diventato un'importante direzione di sviluppo per le applicazioni militari laser.
Questo documento analizza le caratteristiche tecniche e lo status quo di quattro tipici laser a infrarossi a onde corte, inclusi laser a semiconduttore al fosforo, laser a fibra drogata con Er, laser a stato solido drogati con Er e laser a stato solido basati su OPO, e riassume l'uso di questi laser a infrarossi a onde corte in ricognizione attiva fotoelettrica.Applicazioni tipiche in anti-ricognizione.
1) I laser a semiconduttore al fosforo ad alta frequenza di ripetizione continua e a bassa potenza di picco e i laser a fibra drogata con Er sono utilizzati principalmente per l'illuminazione ausiliaria per la sorveglianza invisibile a lunga distanza e per mirare di notte e sopprimere le interferenze alle telecamere a infrarossi a onde corte nemiche.I laser a semiconduttore al fosforo a impulsi brevi ad alta ripetizione e i laser a fibra drogata con Er sono anche sorgenti luminose ideali per la misurazione della sicurezza degli occhi del sistema multi-impulso, il radar per immagini a scansione laser e l'interferenza dell'inganno della distanza del telemetro laser per la sicurezza degli occhi.
2) I laser a stato solido basati su OPO con un basso tasso di ripetizione ma con una potenza di picco di megawatt o anche dieci megawatt possono essere ampiamente utilizzati nel radar di imaging flash, nell'osservazione notturna del gating laser a lunga distanza, nel danno laser a infrarossi a onde corte e modalità tradizionale occhi umani remoti Laser di sicurezza che va.
3) Il laser in vetro Er in miniatura è una delle direzioni in più rapida crescita dei laser a infrarossi a onde corte negli ultimi anni.Gli attuali livelli di potenza e frequenza di ripetizione possono essere utilizzati nei telemetri laser miniaturizzati per la sicurezza degli occhi.Col tempo, una volta che la potenza di picco raggiunge il livello di megawatt, può essere utilizzata per radar di imaging flash, osservazione di gating laser e danni laser a telecamere a infrarossi a onde corte.
4) Il laser Er:YAG pompato a diodi che nasconde il dispositivo di avviso laser è la principale direzione di sviluppo dei laser a infrarossi a onde corte ad alta potenza.Ha un grande potenziale di applicazione nel flash lidar, nell'osservazione notturna del gating laser a lunga distanza e nel danno laser.
Negli ultimi anni, poiché i sistemi d'arma hanno requisiti sempre più elevati per l'integrazione di sistemi optoelettronici, le apparecchiature laser piccole e leggere sono diventate una tendenza inevitabile nello sviluppo di apparecchiature laser.Laser a semiconduttore, laser a fibra e laser miniaturizzati di dimensioni ridotte, peso leggero e basso consumo energetico I laser in vetro Er sono diventati la direzione principale dello sviluppo dei laser a infrarossi a onde corte.In particolare, i laser in fibra con una buona qualità del raggio hanno un grande potenziale di applicazione nell'illuminazione ausiliaria notturna, sorveglianza e puntamento invisibili, lidar per immagini a scansione e interferenze di soppressione laser.Tuttavia, la potenza/energia di questi tre tipi di laser piccoli e leggeri è generalmente bassa e può essere utilizzata solo per alcune applicazioni di ricognizione a corto raggio e non può soddisfare le esigenze di ricognizione e controricognizione a lungo raggio.Pertanto, l'obiettivo dello sviluppo è aumentare la potenza/energia del laser.
I laser a stato solido basati su OPO hanno una buona qualità del raggio e un'elevata potenza di picco, e i loro vantaggi nell'osservazione gated a lunga distanza, nel radar di imaging flash e nel danno laser sono ancora molto evidenti e l'energia di uscita del laser e la frequenza di ripetizione del laser dovrebbero essere ulteriormente aumentate .Per i laser Er:YAG pompati a diodi, se l'energia dell'impulso viene aumentata mentre l'ampiezza dell'impulso viene ulteriormente compressa, diventerà la migliore alternativa ai laser a stato solido OPO.Presenta vantaggi nell'osservazione gated a lunga distanza, radar di imaging flash e danni laser.Grande potenziale applicativo.
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Tempo di aggiornamento: mar-02-2022
