Entsprechend dem unterschiedlichen Erzeugungsmechanismus kurzwelliger Infrarotlaser gibt es drei Arten kurzwelliger Infrarotlaser, nämlich Halbleiterlaser, Faserlaser und Festkörperlaser.Darunter lassen sich Festkörperlaser in Festkörperlaser, die auf optischer nichtlinearer Wellenlängenumwandlung basieren, und Festkörperlaser, die aus Laserbearbeitungsmaterialien direkt kurzwellige Infrarotlaser erzeugen, unterteilen.
Halbleiterlaser verwenden Halbleitermaterialien als Laserbearbeitungsmaterialien, und die Ausgangswellenlänge des Lasers wird durch die Bandlücke der Halbleitermaterialien bestimmt.Mit der Entwicklung der Materialwissenschaften können Energiebänder von Halbleitermaterialien durch Energiebandtechnik auf einen größeren Bereich von Laserwellenlängen zugeschnitten werden.Daher können mit Halbleiterlasern mehrere kurzwellige Infrarotlaserwellenlängen erhalten werden.
Das typische Laserbearbeitungsmaterial von kurzwelligen Infrarot-Halbleiterlasern ist Phosphormaterial.Beispielsweise hat ein Indiumphosphid-Halbleiterlaser mit einer Aperturgröße von 95 μm Ausgangslaserwellenlängen von 1,55 μm und 1,625 μm und die Leistung hat 1,5 W erreicht.
Faserlaser verwenden seltenerddotierte Glasfasern als Lasermedium und Halbleiterlaser als Pumpquelle.Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie niedrige Schwelle, hohe Umwandlungseffizienz, gute Ausgangsstrahlqualität, einfache Struktur und hohe Zuverlässigkeit.Es kann auch das breite Spektrum der Seltenerd-Ionenstrahlung nutzen, um einen abstimmbaren Faserlaser zu bilden, indem selektive optische Elemente wie Gitter im Laserresonator hinzugefügt werden.Faserlaser sind zu einer wichtigen Richtung in der Entwicklung der Lasertechnologie geworden.
1.Festkörperlaser
Die Festkörperlaser-Verstärkungsmedien, die kurzwellige Infrarotlaser direkt erzeugen können, sind hauptsächlich Er:YAG-Kristalle und -Keramik sowie Er-dotiertes Glas.Der auf Er:YAG-Kristall und Keramik basierende Festkörperlaser kann direkt einen kurzwelligen Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 1,645 μm ausgeben, was in den letzten Jahren ein Hotspot in der Forschung zu kurzwelligen Infrarotlasern ist [3-5].Gegenwärtig erreicht die Pulsenergie von Er:YAG-Lasern mit elektrooptischer oder akusto-optischer Güteschaltung einige bis mehrere zehn mJ, eine Pulsbreite von mehreren zehn ns und eine Wiederholfrequenz von mehreren zehn bis tausend Hz.Wenn als Pumpquelle ein 1,532-μm-Halbleiterlaser verwendet wird, bietet er große Vorteile im Bereich der laseraktiven Aufklärung und Laser-Gegenmaßnahmen, insbesondere aufgrund seiner Tarnwirkung auf typische Laserwarngeräte.
Er-Glaslaser haben eine kompakte Struktur, sind kostengünstig, leicht und können einen gütegeschalteten Betrieb realisieren.Es ist die bevorzugte Lichtquelle für die aktive Erkennung kurzwelliger Infrarotlaser.Allerdings weisen Er-Glasmaterialien vier Nachteile auf: Erstens liegt die zentrale Wellenlänge des Absorptionsspektrums bei 940 nm oder 976 nm, was es schwierig macht, Lampenpumpen zu erreichen;Zweitens ist die Herstellung von Er-Glasmaterialien schwierig und es ist nicht einfach, große Größen herzustellen.Drittens hat Er-Glas ein Material mit schlechten thermischen Eigenschaften, und es ist nicht einfach, einen Betrieb mit wiederholter Frequenz über einen längeren Zeitraum zu erreichen, geschweige denn einen kontinuierlichen Betrieb.Viertens gibt es kein geeignetes Güteschaltmaterial.Obwohl die Forschung an kurzwelligen Infrarotlasern auf Basis von Er-Glas schon immer die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen hat, ist aus den oben genannten vier Gründen kein Produkt auf den Markt gekommen.Bis 1990, mit dem Aufkommen von Halbleiterlaserbarren mit Wellenlängen von 940 nm und 980 nm und dem Aufkommen gesättigter Absorptionsmaterialien wie Co2+:MgAl2O4 (kobaltdotiertes Magnesiumaluminat), die beiden größten Engpässe der Pumpquelle und der Güteschaltung waren kaputt.Die Forschung zu Glaslasern hat sich rasant entwickelt.Insbesondere in den letzten Jahren wiegt das Miniatur-Er-Glas-Lasermodul meines Landes, das eine Halbleiterpumpquelle, Er-Glas und einen Resonanzhohlraum integriert, nicht mehr als 10 g und verfügt über eine Kleinserienproduktionskapazität von 50-kW-Spitzenleistungsmodulen.Aufgrund der schlechten thermischen Leistung des Er-Glasmaterials ist die Wiederholfrequenz des Lasermoduls jedoch immer noch relativ niedrig.Die Laserfrequenz des 50-kW-Moduls beträgt nur 5 Hz und die maximale Laserfrequenz des 20-kW-Moduls beträgt 10 Hz, was nur in Niederfrequenzanwendungen verwendet werden kann.
Die 1,064 μm große Laserleistung des gepulsten Nd:YAG-Lasers hat eine Spitzenleistung von bis zu Megawatt.Wenn solch ein starkes kohärentes Licht durch einige spezielle Materialien geht, werden seine Photonen inelastisch an den Molekülen des Materials gestreut, das heißt, die Photonen werden absorbiert und erzeugen relativ niederfrequente Photonen.Es gibt zwei Arten von Substanzen, die diesen Frequenzumwandlungseffekt erzielen können: Die eine sind nichtlineare Kristalle wie KTP, LiNbO3 usw.;das andere ist Hochdruckgas wie H2.Platzieren Sie sie im optischen Hohlraumresonator, um einen optischen parametrischen Oszillator (OPO) zu bilden.
OPO auf der Basis von Hochdruckgas bezieht sich normalerweise auf einen parametrischen Oszillator mit stimuliertem Raman-Streulicht.Das Pumplicht wird teilweise absorbiert und erzeugt eine niederfrequente Lichtwelle.Der ausgereifte Raman-Laser verwendet einen 1,064-μm-Laser, um Hochdruckgas H2 zu pumpen, um einen 1,54-μm-Kurzwellen-Infrarotlaser zu erhalten.
BILD 1
Die typische Anwendung des Kurzwellen-Infrarot-GV-Systems ist die Bildgebung über große Entfernungen bei Nacht.Der Laserbeleuchter sollte ein Kurzpuls-Kurzwellen-Infrarotlaser mit hoher Spitzenleistung sein und seine Wiederholungsfrequenz sollte mit der Bildfrequenz der Blitzkamera übereinstimmen.Nach dem aktuellen Stand der kurzwelligen Infrarotlaser im In- und Ausland sind diodengepumpte Er:YAG-Laser und OPO-basierte 1,57-μm-Festkörperlaser die beste Wahl.Die Wiederholfrequenz und Spitzenleistung des Miniatur-Er-Glaslasers müssen noch verbessert werden.3.Anwendung von kurzwelligen Infrarotlasern in der photoelektrischen Aufklärungsabwehr
Das Wesen der kurzwelligen Infrarot-Laser-Aufklärung besteht darin, die im kurzwelligen Infrarotband arbeitenden optoelektronischen Aufklärungsgeräte des Feindes mit kurzwelligen Infrarot-Laserstrahlen zu bestrahlen, so dass sie falsche Zielinformationen erhalten oder nicht normal funktionieren können oder sogar Der Detektor ist beschädigt.Es gibt zwei typische Anti-Aufklärungsmethoden für Kurzwellen-Infrarotlaser, nämlich die Entfernungstäuschungsinterferenz für den für das menschliche Auge sicheren Laser-Entfernungsmesser und die Unterdrückungsschädigung der Kurzwellen-Infrarotkamera.
1.1 Beeinträchtigung des Laser-Entfernungsmessers durch Entfernungstäuschung für die Sicherheit des menschlichen Auges
Der gepulste Laserentfernungsmesser rechnet die Entfernung zwischen dem Ziel und dem Ziel anhand des Zeitintervalls um, in dem der Laserimpuls zwischen dem Abschusspunkt und dem Ziel hin- und herläuft.Wenn der Entfernungsmesserdetektor andere Laserimpulse empfängt, bevor das reflektierte Echosignal des Ziels den Startpunkt erreicht, stoppt er die Zeitmessung und die umgewandelte Entfernung ist nicht die tatsächliche Entfernung des Ziels, sondern kleiner als die tatsächliche Entfernung des Ziels.Falsche Entfernung, die den Zweck erfüllt, die Entfernung des Entfernungsmessers zu täuschen.Für augensichere Laser-Entfernungsmesser können kurzwellige Infrarot-Pulslaser gleicher Wellenlänge zur Realisierung von Distanztäuschungsinterferenzen eingesetzt werden.
Der Laser, der die Distanztäuschungsinterferenz des Entfernungsmessers implementiert, simuliert die diffuse Reflexion des Ziels zum Laser, sodass die Laserspitzenleistung sehr niedrig ist, aber die folgenden zwei Bedingungen sollten erfüllt sein:
1) Die Laserwellenlänge muss mit der Arbeitswellenlänge des interferierten Entfernungsmessers übereinstimmen.Vor dem Entfernungsmesser-Detektor ist ein Interferenzfilter installiert, und die Bandbreite ist sehr gering.Laser mit anderen Wellenlängen als der Arbeitswellenlänge können die lichtempfindliche Oberfläche des Detektors nicht erreichen.Selbst die 1,54-μm- und 1,57-μm-Laser mit ähnlichen Wellenlängen können sich nicht gegenseitig stören.
2) Die Wiederholfrequenz des Lasers muss hoch genug sein.Der Entfernungsmesser-Detektor reagiert nur dann auf das Lasersignal, das seine lichtempfindliche Oberfläche erreicht, wenn die Entfernung gemessen wird.Um eine wirksame Interferenz zu erreichen, sollte der Interferenzimpuls mindestens 2 bis 3 Impulse in das Wellentor des Entfernungsmessers hineinquetschen.Das derzeit erreichbare Entfernungsfenster liegt in der Größenordnung von μs, daher muss der interferierende Laser eine hohe Wiederholfrequenz haben.Bei einer Zielentfernung von beispielsweise 3 km beträgt die Zeit, die der Laser benötigt, um einmal hin und her zu gehen, 20 μs.Bei der Eingabe von mindestens 2 Pulsen muss die Laserfolgefrequenz 50 kHz erreichen.Wenn die Mindestreichweite des Laser-Entfernungsmessers 300 m beträgt, darf die Wiederholfrequenz des Störsenders nicht niedriger als 500 kHz sein.Nur Halbleiterlaser und Faserlaser können eine so hohe Wiederholrate erreichen.
1.2 Unterdrückende Störungen und Schäden an Kurzwellen-Infrarotkameras
Als Kernkomponente des Kurzwellen-Infrarot-Bildgebungssystems verfügt die Kurzwellen-Infrarotkamera über einen begrenzten dynamischen Bereich der optischen Reaktionsleistung ihres InGaAs-Brennebenendetektors.Wenn die einfallende optische Leistung die Obergrenze des Dynamikbereichs überschreitet, kommt es zu einer Sättigung und der Detektor kann keine normale Bildgebung durchführen.Eine höhere Leistung des Lasers führt zu dauerhaften Schäden am Detektor.
Zur kontinuierlichen Unterdrückung von Störungen kurzwelliger Infrarotkameras eignen sich Halbleiterlaser mit kontinuierlicher und geringer Spitzenleistung sowie Faserlaser mit hoher Wiederholfrequenz.Bestrahlen Sie die Kurzwellen-Infrarotkamera kontinuierlich mit einem Laser.Aufgrund des stark vergrößernden Kondensierungseffekts der optischen Linse ist der Bereich, der vom Laserstreufleck auf der InGaAs-Brennebene erreicht wird, stark gesättigt und kann daher nicht normal abgebildet werden.Erst wenn die Laserbestrahlung für einen bestimmten Zeitraum unterbrochen wird, kann sich die Abbildungsleistung allmählich wieder normalisieren.
Nach den Ergebnissen langjähriger Forschung und Entwicklung laseraktiver Gegenmaßnahmenprodukte im sichtbaren und nahen Infrarotbereich sowie Tests zur Wirksamkeit mehrerer Feldschäden können nur Kurzpulslaser mit einer Spitzenleistung von Megawatt und mehr irreversible Schäden am Fernsehgerät verursachen Kameras in einer Entfernung von Kilometern.Schaden.Ob der Schadenseffekt erzielt werden kann, ist die Spitzenleistung des Lasers entscheidend.Solange die Spitzenleistung höher ist als die Schadensschwelle des Detektors, kann ein einzelner Impuls den Detektor beschädigen.Unter dem Gesichtspunkt der Schwierigkeit des Laserdesigns, der Wärmeableitung und des Stromverbrauchs muss die Wiederholfrequenz des Lasers nicht unbedingt die Bildrate der Kamera oder sogar höher erreichen, und 10 Hz bis 20 Hz können tatsächliche Kampfanwendungen erfüllen.Kurzwellen-Infrarotkameras bilden hier natürlich keine Ausnahme.
InGaAs-Fokalebenendetektoren umfassen Elektronenbeschuss-CCDs, die auf später entwickelten InGaAs/InP-Elektronenmigrationsfotokathoden und CMOS basieren.Ihre Sättigungs- und Schadensschwellen liegen in der gleichen Größenordnung wie bei CCD/CMOS auf Si-Basis, es wurden jedoch noch keine Detektoren auf InGaAs/InP-Basis erhalten.Sättigungs- und Schadensschwellendaten von CCD/COMS.
Nach dem aktuellen Stand der Kurzwellen-Infrarotlaser im In- und Ausland ist der auf OPO basierende Festkörperlaser mit 1,57 μm Wiederholungsfrequenz immer noch die beste Wahl für Laserschäden an CCD/COMS.Seine hohe atmosphärische Durchdringungsleistung und sein Kurzpulslaser mit hoher Spitzenleistung. Die Lichtpunktabdeckung und die effektiven Eigenschaften einzelner Impulse sind offensichtlich für die sanfte Tötungsleistung des mit Kurzwellen-Infrarotkameras ausgestatteten optoelektronischen Langstreckensystems.
2. Fazit
Kurzwellige Infrarotlaser mit Wellenlängen zwischen 1,1 μm und 1,7 μm haben eine hohe atmosphärische Durchlässigkeit und eine starke Fähigkeit, Dunst, Regen, Schnee, Rauch, Sand und Staub zu durchdringen.Es ist für herkömmliche Nachtsichtgeräte bei schwachem Licht unsichtbar.Der Laser im 1,4-μm- bis 1,6-μm-Band ist für das menschliche Auge sicher und verfügt über besondere Merkmale wie einen ausgereiften Detektor mit einer Spitzenreaktionswellenlänge in diesem Bereich und hat sich zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für militärische Laseranwendungen entwickelt.
Dieser Artikel analysiert die technischen Eigenschaften und den Status Quo von vier typischen kurzwelligen Infrarotlasern, darunter Phosphor-Halbleiterlaser, Er-dotierte Faserlaser, Er-dotierte Festkörperlaser und OPO-basierte Festkörperlaser, und fasst die Verwendung zusammen Einsatz dieser kurzwelligen Infrarotlaser in der fotoelektrischen aktiven Aufklärung.Typische Anwendungen in der Aufklärungsabwehr.
1) Kontinuierliche und niedrige Spitzenleistungs-Phosphor-Halbleiterlaser mit hoher Wiederholfrequenz und Er-dotierte Faserlaser werden hauptsächlich als Zusatzbeleuchtung für die Stealth-Überwachung über große Entfernungen und das Zielen bei Nacht sowie zur Unterdrückung von Störungen feindlicher Kurzwellen-Infrarotkameras verwendet.Kurzpuls-Phosphor-Halbleiterlaser mit hoher Wiederholfrequenz und Er-dotierte Faserlaser sind auch ideale Lichtquellen für Augensicherheitsentfernungsmessungen in Mehrpulssystemen, Laser-Scanning-Bildgebungsradar und Entfernungserkennungsinterferenzen für Augensicherheits-Laser-Entfernungsmesser.
2) OPO-basierte Festkörperlaser mit einer niedrigen Wiederholungsrate, aber einer Spitzenleistung von Megawatt oder sogar zehn Megawatt können in großem Umfang in Blitzbildradaren, Laser-Gating-Beobachtungen über große Entfernungen bei Nacht, kurzwelligen Infrarot-Laserschäden usw. eingesetzt werden Traditioneller Modus, entferntes menschliches Auge, Sicherheitslaser-Entfernungsmessung.
3) Der Miniatur-Er-Glaslaser ist eine der am schnellsten wachsenden Richtungen kurzwelliger Infrarotlaser in den letzten Jahren.Die aktuellen Leistungs- und Wiederholungsfrequenzwerte können in Miniatur-Augenschutz-Laserentfernungsmessern verwendet werden.Mit der Zeit, wenn die Spitzenleistung das Megawatt-Niveau erreicht, kann sie für Flash-Imaging-Radar, Laser-Gating-Beobachtung und Laserschäden an Kurzwellen-Infrarotkameras verwendet werden.
4) Der diodengepumpte Er:YAG-Laser, der das Laserwarngerät verbirgt, ist die Hauptentwicklungsrichtung von Hochleistungs-Kurzwellen-Infrarotlasern.Es verfügt über ein großes Anwendungspotenzial im Blitz-Lidar, bei der Laser-Gating-Beobachtung über große Entfernungen bei Nacht und bei Laserschäden.
Da Waffensysteme in den letzten Jahren immer höhere Anforderungen an die Integration optoelektronischer Systeme stellen, sind kleine und leichte Lasergeräte zu einem unvermeidlichen Trend bei der Entwicklung von Lasergeräten geworden.Halbleiterlaser, Faserlaser und Miniaturlaser mit geringer Größe, geringem Gewicht und geringem Stromverbrauch. Er-Glaslaser sind zur Hauptrichtung der Entwicklung kurzwelliger Infrarotlaser geworden.Insbesondere Faserlaser mit guter Strahlqualität haben ein großes Anwendungspotenzial bei der nächtlichen Zusatzbeleuchtung, der verdeckten Überwachung und Zielerfassung, dem scannenden Bildgebungs-Lidar und der Laserunterdrückung von Interferenzen.Allerdings ist die Leistung/Energie dieser drei Arten von kleinen und leichten Lasern im Allgemeinen gering und kann nur für einige Aufklärungsanwendungen im Nahbereich verwendet werden und kann die Anforderungen der Fernaufklärung und Gegenaufklärung nicht erfüllen.Daher liegt der Fokus der Entwicklung auf der Erhöhung der Laserleistung/-energie.
OPO-basierte Festkörperlaser weisen eine gute Strahlqualität und eine hohe Spitzenleistung auf. Ihre Vorteile bei der getorten Beobachtung über große Entfernungen, Blitzbildradar und Laserschäden sind immer noch sehr offensichtlich, und die Laserausgangsenergie und die Laserwiederholungsfrequenz sollten weiter erhöht werden .Bei diodengepumpten Er:YAG-Lasern wird die Erhöhung der Pulsenergie bei gleichzeitiger Komprimierung der Pulsbreite zur besten Alternative zu OPO-Festkörperlasern.Es bietet Vorteile bei der geschlossenen Beobachtung über große Entfernungen, bei Blitzlichtradaren und bei Laserschäden.Großes Anwendungspotential.
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Aktualisierungszeit: 02.03.2022
