第五章 激 光 引 言 自从1960年确认了光受激发射的作用以来，激光技术在国防、工业及医学等领域已获得了广泛的应用。激光辐射 与普通光是有不少区别的，最主要的是它可形成差不多完全平行的光束，强度极高，且为单色光。由于激光束的方向 性很强，而且强度很高，故激光在军事应用中是进行侦察与目标探测的重要工具，尤其对测距、目标照明、目标指示 及目标跟踪等更为重要。本章的目的是介绍激光的工作原理和目前采用的激光器类型及其应用方法。 激光工作原理基本原理
激光，其外文原意是“用辐射的受激发射方法进行光的放大”英文缩称Laser(莱塞)。通常在电磁波谱中的近紫外 、可见光与红外波段产生光辐射。光的受激发射是由被激活的并建立起正常能量状态的粒子数反转的工作介质产生的 。受激工作介质被束缚在两反射镜面之间，激光便在两反射面所构成的谐振腔内产生。此谐振腔类同于微波振荡器。 受激工作介质可以是气体、掺杂晶体、半导体或液体。而粒子数反转可通过电的、光的或电子束等激励方法实现。激 光输出既可以是一连串脉冲(多脉冲型)，也可是连续光束(连续波型)，或者是时间仅为几毫微秒的单个巨脉冲(Q开关 型)形式。以下各节将对激光的特点作进一步讨论。 自发辐射
为了解激光辐射与普通光的区别，必须考察它们的形成机理。
普通光，例如从白炽灯发射的光线，是在无外部激励条件下由受激原子通过释放光子而发射的。这种过程的出现 是无规则的，称为自发辐射。光子是一种电磁辐射的量子或光量子，对一个单独原子而言，光子的持续时间约为10^-8 秒。
图5。1表明自发辐射各种状态出现的顺序。(a)为一个原子因吸收一个光子而提高到受激状态； (b)为在该状态 停留任意时间； (c)为发射出其能量为△E=E2-E1=hv的另一个光子，其中v为光子频率，h为普朗克常数。在这一过程 中并无光的放大现象。 图5．1 自发辐射受激辐射
激光辐射具有下列独特性质：相干性好、单色性好、定向性好、辐射强度高等。这些特点都产生于受激辐射过程 ，如图5．2所示。
爱因斯坦曾指出，如一原子或分子处于高能状态，将该原子或分子置于相同频率的电磁场内即可控制其储存能量 的释放。将图5．1与图5．2相比较可看出受激辐射与自发辐射的主要区别。在受激辐射中，处于受激状态的原子或分 子在来不及因自发辐射而衰减之前，受第二光子的激励，就发射出与激励光子同一方向，同一频率的辐射光子。
图5．2受激辐射相干性
受激光子与激励光子称为相干光子，二者相互加强，从而产生了放大而稳定的高方向性输出波，与非相干源的自 发辐射所形成的杂乱、噪声大且无方向的辐射截然不同。但实用的激光只以窄频带辐射，并非完全都是相干的，因而 其输出光束多少有些发散。 空腔谐振器
为使激光作用持续下去，处于较高能态的原子集居数E2必须多于低能态的原子集居数E1。这种恰好与正常状态相 反的状况，称为粒子数反转。由空腔谐振器产生此反转并将输出波放大。这与微波发生器非常相似，主要差别在于光 频谐振腔内相互竞争的振荡模式非常多，因而要实现高度相干更为困难。图5．3为最简单的空腔谐振器，由两平面镜 及在两镜间的激活工作介质组成，其中一个镜子是部分透明的，以使辐射的激光束向外输出。
借助于外部激励可实现抽运，例如气体介质的放电。抽运能量将原子或分子提高到更高的受激状态并实现粒子数 反转。激光作用是由抽运开始后自发辐射的光子引起的。自发辐射光子与受激原子经过谐振腔而相互作用时，产生受 激辐射，受激原子也由此而损失能量。每一光子在与气体原子持续地相互作用中，都形成一个振幅增大的光波，此光 波由于谐振腔内两端的反射镜往返反射，又激励更多的原子，使光辐射进一步地放大。只要受激辐射增益超过能量损 失(如激活介质中的散射与吸收，以及反射镜的反射损失等)，上述过程就会继续下去。当然，通过半透反射镜时的损 失是预先给定的，良好的激光器设计应注意使其耦合输出恰当：耦合输出过高会使损失率超过抽运率，振荡将停止； 过低则输出功率不足。一般情况下可用透射率为1-10％的镜子。大多数激光系统的效率以相干辐射功率与输入的电功 率之比计算，效率在0．05-20％之间，其余部分则成为一些无法集聚的能量所耗散，例如在谐腔内光于的非轴向运动 以及吸收与自发辐射过程等。
图5．3 空腔谐振器原理图
激光束的传播激光束直径D随其照射距离R增大而增大，其关系式如下： D^2 = d^2(1+(λR/πd^2)) 式中，λ为激光辐射波长，d为空腔内激光束直径。表1给出了钕激光器的上述变化关系：
表1 激光束直径与距离的关系
激光束呈现平行状态的距离与空腔直径平方成正比，与波长成反比。超出此距离后的发散量正比于波长与激光谐 振腔直径的比值。将上述关系式推广到电磁辐射，可以看到工作在1厘米波长的微波发生器，需要用一个500厘米直径 的发射器才能产生与空腔直径为5厘米的钕激光器的光束平行性相等的照射距离，而超出这一平行照射距离后，激光束 的发散量只是微波波束发散量的百分之一。正因如此，激光束的能量才能集中于相当小的面积上，而这一定向性又使 激光束具有比微波发射器的作用距离要大得多的工作潜力。激光光束高度的准直性使得它难于发现目标，但这却具有 可隐蔽操作的优点，不过也可以光电手段与其对抗。
在某些军事应用中，重要的是要得到极小直径的光束来对准目标。对于这种要求，可通过一望远式光学准直器， 将输出光束准直到一定程度，但其准直程度要受到末级光学聚束镜衍射效应的限制。形成如此小的光点，这是自然的 非相干光源不可能达到的，除非将光源减小到使其强度低得无法应用的地步。 大气影响
处在象外层空间这样的真空中，激光束的强度只由其发散及当时的不稳定程度而减弱。光束发散度正比于波长， 故强度与波长平方成反比，这表明在真空条件下用短的波长是有利的。但在地球表面，上述的简单论断并不成立，因 为激光束与大气中所含物质会相互作用。
激光束通过大气时强度减弱的主要原因是：
1．在激光束路径内的大气分子及悬浮粒子所造成的吸收与散射。所谓悬浮粒子有几种类型，如由霾、薄雾、雾、 云及雨等凝聚而形成的水滴等，此外还有尘粒、烟雾及煤烟等固体颗粒。吸收与散射对激光束的发散影响并不明显。
2．大气湍流引起的温度与折射率变化会使激光束强度波动和产生方向变化，当然也会使激光束发散增大。
2．如果所用伺服跟踪系统，与激光器输出不协调也造成激光束的不稳定。
4．由相干程度决定的激光束发散量。
由于空气分子及悬浮粒子吸收激光能量对局部空气加热，如果所吸收的激光能量达到相当大的程度，则会产生相 当于负放大率透镜的空气密度和折射率梯度的变化，其后果是使激光束分散并出现如花朵状的“热晕”现象。热晕是 大功率激光传播中强度减弱的重要原因，但可借助于横向风及旋转使它减少甚至消除。 与波长的关系
可见光波与红外辐射穿透大气的透过率与波长的关系是不规则的，复杂的，如4．2图所示。从图中可见到对某些 波段存在有高透过率的区域，但也存在对某些波段透过率极低的区域，这主要是由二氧化碳分子及水蒸气的强烈吸收 所造成的。
显然，对某些波长具有高透过率的大气窗口是很有实用价值的。这些大气窗口对应的波段有可见光波段；近红外 波段的大气 窗口为0．4至2微米，但其中从0。9-2微米有若干个分子吸收带； 中红外段大气窗口为3-5微米，但其中 位于4．3微米处的二氧化碳强吸收带除外；远红外段大气窗口为8-14微米。这一专用的大气透射率谱只是根据真实的 某海岸的水平传输路径确定的，虽然此水平传输路径的特性从总体上看对其他地方也适用，但可以预料工业烟雾的出 现将对它有重要影响而会有所改变。此外还可预料昼夜变化与具体的地形条件，也对实用大气窗口的预测产生困难。
总的看来，悬浮粒子造成的散射主要对可见光与近红外波段起作用，而大气分子的吸收则是对远红外波段造成激 光能量损失的重要原因。对于悬浮粒子的穿透能力，在能见距离大于5公里的条件下，二氧化碳辐射比可见光辐射约大 一个数量级。上述条件是认为大气中悬浮的水滴尺寸大概小于1微米，但在有雾的大气中，水滴尺寸会增大到约50微米 ，此时较长波长穿透悬浮粒子的的优越性就会丧失。如果采用中红外波段的最大波长作为激光传播的波长，那就会具 有相当良好的传播特性。采用较长波长时，总的衰减量会减小，但季节与昼夜变化对大气状态仍然有严重影响。
表2列出几种重要的大气组成物质的大小。由这些数据可见，增大中红外或远红外带的透射距离，对于大气中含有 薄雾或尘埃、烟尘时；是可能做到的，但对浓水气和浓雾，却难以实现。
表2 悬浮粒子大小(微米)
烟尘 0．2-2
灰尘 1-10
蒸气 最大为100
霾 最大为1
云雾 5-50
湿气 50-100
细雨 100-500
雨 500-5000
大气湍流使激光束增宽和抖动，增宽和抖动的大小，决定于照射距离、湍流程度及激光辐射波长。一般情况下湍 流程度大时会使5微米激光束直径增大一个数量级。此时的变化与波长并没有多少关系，但小于某一临界波长时，因大 气湍流而产生的激光束加宽现象对衍射效应将起决定作用。
由于波长较长时分子吸收比较强烈，可以看出在大功率传播时出现的热晕现象限制了长波激光功率强度的再增大 ；而在可见光与近红外波段内，大气湍流造成的激光束增宽及因悬浮粒子造成的散射则是限制较短波长激光辐射传播 的因素。看来，在激光辐射中采用中红外波段才是最合理的兼顾远近的方案，但选定最佳波长还要根据实际的物理条 件与大气条件来确定。 回波信号
一个距离目标为R，接收面积为Ar的测距机接收器所收集的平均信号功率为Pr，假如所有激光束能量都以反射系数 ρ漫反射，则 Pr = (ρP0/π)(Ar/R^2)*ηt*ηr*e^-2μR 式中P0为平均发射功率，ηt，及ηr分别为激光发射器与接收器的量子效率系数。
回波信号的强度必须大于由接收探测器特性确定的最小噪声值。信噪比S/N就与这些噪声特性和回波信号强度有关 ，其关系如下： S/N = Pr/((NEP)^2*4/τ)^0.5 式中，NEP为探测器的噪声当量功率，τ为脉冲持续时间(脉冲宽度)。
下面举一例说明：
设P0=1兆瓦，τ=40毫微秒，接收孔径为5厘米，波长为 1．06微米(钕)，从1公里处以反射系数0．01返回的信号 功率约为0．5*10^-5瓦(在往返行程中大气造成的损失已考虑在内)；假设NEP为10^-10瓦／赫，则信噪比约为5：1，因 而测定这一目标距离是很容易的。此处 ηt = ηr = 1。
如果目标不将整个激光束截断，则上述Pr表达式应乘以 4At/πR^2θ^2，At为目标面积，θ为激光束发散角。在 测量及协同行动时，常将一玻璃四面体角形反向反射器放在目标上，这样将使返回信号比一般的漫反射目标(如敌方坦 克)约强一万倍，从而能大大提高有效测距能力。 激光器类型 典型激光器的抽运循环
实用激光器的抽运作用比前面介绍的简化系统复杂，所含有的原子能级要在两个以上。典型的4能级激光系统的抽 运振荡循环，如图5．4所示。
在此系统中，最高能态E4为能级间隔很小的宽吸收带，这些能级有效地存留了不同频率光(白光)从基态升高的电 子。在红宝石及钕激光器中已应用了此原理。受激原子会快速地衰变而下降到能级E3，随之通过激光跃迁降为E2并继 续快速衰变降到基态E1。在气体激光器中也有类似的变化过程，主要区别在于只由一种原子吸收能量，然后通过与第 二种原子碰撞将能量传，递，第二种原子便产生了激光跃迁。无论哪种情况都能强烈而稳定地建立起粒子数反转状态 ，尤其是激光跃迁的较低能态是E2而不是基态E1时更加明显。
图5．4 4能级激光器的抽运振荡循环 气体激光器
气体激光器结构简单，最为通用，能实现高的相干性和定向性，其功率输出范围也最广。
图5．5 氦氖激光器
氦氖激光器是首先实验成功的气体激光器。它利用直流或高频电流激励氦原子以实现光抽运，并通过原子碰撞将 能量传递给氖原子，根据激光作用原理，于是氖原子以0．6328微米波长为主而进行辐射，但同样也发射其他波长光线 。功率输出范围为1 -20毫瓦，这种激光器的用途主要是计量与勘测距离。图5．5是氦氖激光器的简图。
空腔一般均与反射镜分离以防反射镜受损，空腔管以一对互不平行的平面镜密封，其角度按布儒斯角封定，这样 输出激光产生偏振。使激光束性质优异，但效率小于1％。
氩激光器是以各电离氩原子逐一地在各受激状态间的跃迁为基础而工作的，这些电离氩原子发射出0．35～0．53 微米的若干种波长激光。为了以相当大的能量电离每一原子，对氩激光器必需比氦氖激光器输入更多的能量才能获得 同等的输出功率，而且必需进行水冷，故尺寸相当大。
目前，有利于侦察及目标搜索的主要气体激光器是二氧化碳激光器。它通过比原子态更紧密的二氧化碳分子内的 分子跃迁而工作，因此所辐射的激光光子能量较低，即光子波长较长。二氧化碳分子发射波长范围为9-11微米，而最 强的辐射波长则为 1O．6微米，正处在远红外大气传输窗口的中间部位。在二氧化碳激光管中还有氮与氦气存在，氮 所起的作用犹如氦氖激光器中的氦。氮分子由外部“抽运”源激励并通过碰撞二氧化碳分子与其交换能量；氦则通过 在二氧化碳分子内若干个辅助能级的分裂加速实现粒子数反转。低压连续波二氧化碳激光器的效率可达 20％，而功率 输出现已远远超过1千瓦。
如何取得可靠的脉冲运转这一难点，已由横向放电大气压激光器的研制成功得到了解决。由于在横向激励激光器 谐振腔内精心地设计了电极的形状，故在激光介质中能形成稳定而均匀的放电状态。
在腔长为25厘米、效率约为1％的横向放电大气压二氧化碳激光器中，已可做到脉冲宽度为60毫微秒，峰值输出功 率为 200千瓦左右。此种横向放电大气压激光器是后面将简要介绍的费伦蒂公司及马可尼公司的两种激光测距机的基 础。其输出激光束也是偏振光，与前述的氦氖激光器相同。
二氧化碳激光器在测距应用方面的进一步发展，很可能使用高重复频率脉冲激光，使之既可测距，又可进行目标 指示。通信用微型连续输出的高压波导型激光器也正在研制之中。
另一发展领域是附有外差振荡探测装置的连续波二氧化碳激光器的应用。其工作原理是对连续输出波调频，将可 能产生频移的回波信号与已调频的发射信号部分混频，从而产生可直接探测的差频。由输出信号即可获得目标的距离 及其横向速度。这类系统是与微波雷达类似的红外系统，对其设计原理以及与常规技术刁；同的工作方式，正在二氧 化碳激光器的波长范围中进行探索。这方面的技术可避免以红外辐射作直接探测时所常遇到的某些灵敏度问题，并能 获得较高的信噪比。这种技术还可用于合作目标的测距与通信， 由于辐射能较低，很可能比直接脉冲法更不易被发 现。共主要缺点是信号处理更为复杂，因此装置的尺寸相应也将增大，减小了便携性。
还有两种具有相似用途的激光器也在研制，即化学激光器与准分子激光器。化学激光器是在氟与氢或氘(重氢)气 体燃烧的基础上工作的，它分别产生波长为2．5微米与3．8微米的激光辐射，这后一波长正处于中红外大气窗口的范 围之内，准分子激光器则用惰性气体与卤素族的混合物在可见光波段或紫外波段产生激光，例如用氟化氪产生的激光 波长为0．25微米，用氟化氩产生的激光波长为0．19微米，看来其效率超过10％是可能的。 固休激光器
固体激光器优于气体激光器的方面是离子体积密度很高，因而可使装置的尺寸最小，便于携带。目前使用的激光 测距机，大多应用光学抽运的固体激光器。由于固体激光器体积太小，且转换效率低，故散热困难，对平均功率要求 高的激光辐射不适用。
图5．6是椭圆腔的红宝石激光器或钕激光器的工作原理。由于在固态物体中不可能通过原子碰撞进行抽运，故激 光器的工作介质必须对来自抽运源(氙闪光灯)的辐射是透明的材料。在一焦点上置闪光灯，在另一焦点上则为红宝石 或钕激光棒。红宝石晶体由氧化铝加入少量的铬构成，正是这种离子形式的铬为激光跃迁提供了所需的各能级。
图5．6 红宝石及钕激光器工作原理
红宝石晶体的缺点是效率低，仅0．05％，因此在很低的脉冲重复频率时就会发热，减弱了抽运作用。为此必须将 红宝石晶体冷却到液氮温度以保持合理的抽运速度。“酋长”坦克激光测距机最初采用红宝石激光器，但以后装备的 此种测距机所用的激光器改为钕-钇铝石榴石(Nd-YAG)或钕-玻璃(Nd-玻璃)，以钇铝石榴石或玻璃作为基质材料。钕激 光器的输出激光波长为 1．06微米，效率约为2％。
对激光棒两端镀银或利用分立的空腔两端反射镜即形成空腔谐振器。从如此简单的谐振器输出的激光束乃是各种 横向和轴向模式相互竞争的混合跃迁，它会从装置中逸出，其最终的瞬时形态是由这些相互竞争的振荡模式形成的一 连串尖峰脉冲激光。为符合军事应用的需求，必须对输出脉冲加以控制，在现用测距系统中，用Q开关技术即可达到这 一目的。
Q开关技术就是改变谐振腔品质的技术。先将谐振腔两端的反射镜分开，无需反馈即可通过抽运获得很高的粒子数 反转，而反馈只是为了建立起竞争跃迁的谐振。在粒子数反转达到最高值后将两反射镜再合上，Q因数及反馈随即突然 增大，使整个存贮的能量以短而极强的巨脉冲发射出来，基本上是单模式谐振。
可以有几种方式建立Q开关。一种方式是将一个反射镜或全反射棱镜以高速旋转，例如每分钟30，000转，另一反 射镜固定不动，只有当旋转到与固定镜对准时才释放能量，形成输出激光束(见图5．7)。此种激光器产生的脉冲宽度 为50毫微秒，但开关速度较慢。
图5．7 两种Q开关类型
另一种更快速的是电光Q开关，也在图5．7中表明(克尔盒型)。
克尔盒内两电极之间装硝基苯。当加电场时即形成平行于电场方向的光轴。只有沿着此光轴，折射率才与光的偏 振方向无关。一般情况下，入射到克尔盒上的平面偏振光可分解为两部分：一平行于光轴振动的光，另一则为垂直于 光轴振动的气。此两部分光在盒内的速度不同，且由晶体中一出现就是异相的，因而输出光通常为椭圆偏振光；如果 入射平面偏振光相对于光轴的入射角为45°且两部分光的相位差为π／2的倍数时，则输出光为圆偏振光。在图5．7中 ，谐振腔输出光经由偏振片而变成平面偏振光，再由克尔盒转化为圆偏振光。谐振腔的反射镜将偏振光反射，在反射 中逆转了偏振方向。因此，从克尔盒中再次射出的光又是平面偏振光，但偏振方向与前一次经过偏振片后的方向垂直 。故只有到电场关闭时，它才能再次由偏振片射出。电场一接通，粒子数反转值即增大；而电场下降为零时，反射镜 即“接入”，从而输出激光。用以控制电场的电压的变化必须与抽运同步。用此种技术可产生脉冲宽度仅为10毫微秒 的输出脉冲。
为求更高的增益，在激光介质中引入了可饱和染料。一般情况下，染料在激光器工作波长上会强烈地吸收能量， 故可能无放大倍数。但在实现粒子数反转中的某一时刻，由于受激辐射超过能量损失而出现激光作用。染料则由于收 光通量而变为饱和，并极其迅速地转为透明状态，粒子数反转值极高状态下的存贮能量立刻以脉冲宽度仅为几毫微秒 的光脉冲射出。对于染料的特性，如吸收截面及时间常数等必须恰当地选定，以求与基质材料相匹配。此种光化学方 法非常适合于轻型激光发射器的应用。
另一种控制输出脉冲的方法是利用谐振腔转存。在此法中，如同Q开关激光器，粒子数反转达最高值时将一光电开 关断路，从而使存贮能量作为光辐射转存入谐振腔中。在所有能量没有完全转入之时，谐振腔极少甚至不向外辐射光 能。一旦能量全部转入，光电开关就立即打开第二光通道，以约1毫微秒的脉冲时间发射出所有光能。以此法测距其精 度可达10厘米左右。
还有一种更快的方法称为波模式同步法。光电开关通、断的调节应与谐振腔内光子往返时间相一致。此法可产生 微秒级的脉冲。
其它的固态激光器如正在研制的掺钬氟化钇锂激光器，激光辐射波长为2．06微米；以及掺铒的玻璃激光器，其激 光辐射波长为1．54微米。二者的激光辐射波长均在人眼的最大角膜透射范围之外，故认为对人眼比较安全。但存在的 问题是这两种材料都不如钕-钇铝石榴石效率高，因而使此二种材料受激需要更大的输入能量。 半导体注入式激光 器
半导体注入式激光器的工作原理是：给p-n结加正向偏压后，带正电的空穴就从p区向n区注入，且在结区与电子复 合从而以热或光的形式释放能量。图5．8(a)表示工作原理，图 5．8(b)为结构简图。 图5．8 半导体激光器
在接近5000安／厘米^2的高电流密度时，砷化镓内的p-n结，对于辐射具有负吸收系数，因此当辐射穿过结区时 即被放大，如果结区制成光学谐振腔形式，则此系统就成为激光器。
在0．84-0．90微米波段，其激光输出已达几毫瓦，效率高达50％，且输出可调制，故无论是测距还是用于通信都 很方便。
砷化镓激光器的最大优点是它本身就是尺寸很小的高效光电二级管，并能直接调制其激励电流，但功率低且激光 束发散大，故测距范围有限，大约只能达100米。 激光器的安全防护防护标准
人眼的角膜对于波长为0．45-1．4微米的光辐射是透明的，而在此波段的激光辐射聚焦于视网膜时，极其敏感的 视网膜当然易被伤害。表3摘录了英国1977年制定的防务标准05-40第2版的规定，确定了对不同的脉冲型及连续波型激 光波长的的防护标准。
上述防护标准所规定的对角膜的激光辐射强度，对脉冲激光器以每个脉冲的若干焦／厘米^2计，对连续波激光器 以瓦／厘米^2计。低于表内所列暴光时间则不致于伤害人眼。
由此表可见，防护标准对红宝石脉冲激光器最严，对钕脉冲激光器放宽10倍；而钬脉冲激光器及二氧化碳脉冲激 光器为1 *10^-2焦／厘米^2，更比钕脉冲激光器放宽2000倍，这是因为激光辐射全被角膜吸收了，而角膜比视网膜有 更大的损伤阈值。
此优点在使用较长波长的连续波激光器中也很明显。对二氧化碳连续波激光器规定的防护标准为0．1瓦／厘米^2 ，它只比环境温度下的黑体辐射高两倍。
表3 防护标准 (摘录自英国1977年防务标准05-40第2版，可作为准确的安全资料进行参考，但不作为官方意见 ，仅表明相对的有效性，有待修订)
(焦=焦耳；瓦=瓦特) 额定人眼危险距离
防务标准还确定了激光测距操作的额定人眼危险距离，并定义为激光强度降低到适宜的防护标准以下时的距离量 。危险距离可由下式求出： 额定人眼危险距离(NOHD) = ((1.27Q(τM^2)/Ps)^0.5 - α)/Φ 式中，Q = 激光器能量(焦)或功率(瓦)；
Ps = 防护标准规定值(焦／厘米^2或瓦／厘米^2)；
Φ = 激光束发散角(弧度)；
α = 射出的激光束在1／e峰值强度处的直径；
τ = 使用光学仪器时，仪器的透射率；
M = 如果用光学仪器时是其放大倍数。
在表4中列出一些实用激光测距机的额定人眼危险距离：
表4 额定人眼危险距离
另一个必须考虑的安全系数是在激光束中允许有多少“热点” (即闪烁)。为此，应考虑将激光束强度增大10倍， 从而额定人眼危险距离增大10^0.5倍，将此定义为扩大的额定人眼危险距离。
还有一些必须对脉冲宽度小于10微秒的重复脉冲激光器规定的修正系数，例如激光测距-目标指示器(即上表中的 LRMTS)，其防护标准应降低三分之二。另一些修正系数则相应用于计算视网膜对波长在0．7-1微米范围内的不同灵敏 度。
根据危害后果，激光危害分级体系将各种激光器分为四级。一级激光器由于其额定人眼危害距离实际上等于零， 故无所限制；二级与三级激光器在使用时必须戴防护眼镜；至于四级激光器，即使从扩散表面反射后其辐射对人眼和 皮肤也还有危害，故必须全身防护。为防护特定的激光辐射波长而设计的专用防护眼镜，能衰减激光辐射，故能有效 地预防视力损伤。 在侦察与目标截获中的应用用途
本节介绍一些以测距、目标指示、照射及跟踪等为目的而生产，并已装备部队的激光器材的原理，此外还介绍一 种用于射击训练的以激光器为基础的直接瞄准射击模拟装置。 测距原理
激光测距机显然提高了在远距离上的首次打击作战能力。在作战中，激光测距机发射出高强度、高平行性的短脉 冲光束，从目标反射回来由接收器接收其信号，从而测量出单个脉冲到目标的往返时间，并立即转换成距离的直接读 数。
激光用于测距时，最重要的要求是激光束能以高的峰值功率和窄的脉冲输出，如能做到这点，则能测得远，且精 度高。
目前使用的大部分激光测距机采用Q开关固态激光器，这种激光器的测距精度在10公里以内约为±5米，其光束发 散角在0．5毫弧度以内。
图5．9表明了典型的激光测距机工作原理。激光输出与一小型发射望远镜结合，从而减小了谐振腔输出光束的发 散角，增大了发射距离。激光输出的一部分通过光电二级管，为距离计数器提供起动脉冲。激光束从目标反射回来后 ，部分能量即被接收器物镜收集并聚焦在探测器上。探测器可用一窄带干涉滤波器罩住，以减少背景噪声。探测器输 出信号经放大与滤波后如高于允许的门限阈值，即用其去停止距离计数器，并把脉冲数转换成所测距离的直接读数， 并显示出来。
测距机的操作应尽可能简单。通常操作人员通过—光学望远镜瞄准，使目标位居视场中央，然后压下发射按钮发 射激光，则所测距离立即在明亮的视场中显示。其它数据，如电池充电状态也可在视场中显示。在有些情况中，可用 逻辑电路通过距离门而辨识几个潜在的目标，对这些潜在目标也可加以显示。
图5．9 脉冲型激光测距机的工作原理
目前装备部队的激光测距机优先保证间接瞄准射击武器，也作为整个武器系统的一部分装在直接瞄准射击武器上 ，例如在坦克炮上的使用。
脉冲型激光测距机可由操作人员手持，重量大致不超过3公斤；但重型激光测距机的重量可达30公斤左右，它装在 坦克或直升机上。野战型测距机
两种野战型激光测距机的特性归纳于表．5中。
表5 两种野战型激光测距机(279页)
表中巴尔·斯特劳德公司的LF-2型测距机是为“酋长”坦克设计的。该系统原用普罗旋转棱镜Q开关红宝石激光 器，输出的脉冲宽度为40毫微秒，现改用无源染料Q开关钕-钇铝石榴石激光器，其脉冲宽度为10毫微秒。该红宝石激 光器的其他特性见上表。
LF-2型激光测距机与坦克主炮轴线应校准并由射手利用弹道十字线瞄准目标。所测距离在射手左方目镜内显示， 然后按这一距离数据及所采用弹药，选择相应的瞄准标志来抬高瞄准线及火炮轴线，从而赋予射角使其对向目标，这 样，坦克炮的弹道就能通过目标。在有些进一步改进了的瞄准具中，用计算机直接进行火力控制，此时由计算机控制 作为瞄准标志的阴极射线图象，把该射线的图象显示在瞄准手的瞄准装置中；计算机还可与热成象仪联用，使射手能 在夜间或低能见度下测距。
二氧化碳激光器在测距运用中日益令人注意，因为它比钕激光器与红宝石激光器有一些独特的优点。首先，它穿 透大气的能力较强，受薄雾、湿气及战场硝烟的影响较小。其次，二氧化碳激光测距机在光学上适合于与热成象装置 联用，因为热成象装置现正研究利用远红外波段，并有可能与一般的光学器材和探测器配合使用。
第三个优点是由于玻璃对波长为10．6微米(即二氧化碳激光器激光辐射波长)的光辐射不能透过，故使用一般直接 观察装置(如双筒望远镜)的操作人员可由眼睛前面的光学镜片防护而不伤及视力。而二氧化碳激光器的另一重要优点 就是：人眼对 10．6微米波长的辐射比对可见光或近红外光的敏感性差得多，因为虽然视网膜远比角膜容易损伤，但 在眼球外部的角膜却不能透过大于1．4微米波长的光辐射。
二氧化碳激光测距机以脉冲宽度为50毫微秒的单脉冲发射，其锗透镜孔径为5厘米，发射能量不会超过规定的防损 伤角膜的防护标准，即使在距离为零时，其输出峰值功率也小于5兆瓦，而5兆瓦对测距是足够的。具有通光孔径为5厘 米的二氧化碳连续波型激光器，在未超过规定的角膜损伤安全界限的条件下可以2瓦的输出功率操作，这一功率对测距 也是足够的。上述两种二氧化碳激光器的额定人眼危险距离均为零，对人眼毫无损害，完全是安全的。
二氧化碳激光测距机先后由费伦蒂公司及马可尼航空电子设备公司研制，均以横向放电大气压激光器为基础。费 伦蒂公司已研制并进行了两种脉冲型激光测距机的试验。其一重量为16公斤，孔径15厘米，输出峰值功率为350千瓦， 脉冲宽度60毫微秒，最远测定距离6公里。采用焦耳-汤姆逊压缩空气冷却，工作温度为80°K的碲锡铅作为接收探测器 。另—种重7公斤，孔径8厘米，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度60毫微秒，最远测定距离20公里。以碲镉汞为探测 器。马可尼航空电子设备公司也研制并试验了采用碲锡铅探测器的二氧化碳激光测距机，最大输出功率220千瓦，最远 测定距离9公里，脉冲宽度60毫微秒。上述各型激光测距机的精度均为±5米(见图5．10)。
费伦蒂307型
马可尼标测Ⅲ型
图5．10 二氧化碳激光测距机 目标指示
激光器材的应用提高了近距离空中支援及炮兵火力的有效性。目标指示的原理是以激光束照射目标，装在飞机头 部或炮弹 (即所谓“灵巧”炸弹)上的探测器就沿着目标反射的光线，进行自导引搜寻目标。激光器发射的光束很窄， 因而精度和选择性都极好，其工作距离为10公里时，仍可符合设计精度。这同时也减少了被敌方发现的可能。此种激 光目标指示器可由士兵在地面操作或由协同作战的飞机携带，激光器能为飞机在小俯冲角度低空攻击地面目标时提供 很精确的目标距离变化率。在这方面，它比普通雷达要优越得多。
英国军队设想的完整系统包含由前进空中控制员操作的激光目标指示-测距仪，以及飞机内的一组配合装置——激 光测距-目标寻的器。此设想方案图示于5．11及5．12。
图5．11 目标指示器设想方案
工作原理如下：飞机驶近目标时，由前进空中控制员触发激光目标指示-测距仪，发出一连串激光脉冲射向目标。 飞机上的激光测距-目标寻的器中的俯仰角探测器，探测到一些从目标上反射的辐射能后即驱动置于万向支架上的伺服 电机，并带动瞄准具光轴对向目标，从而使飞机驾驶员获得方向数据并由此自动地搜索与跟踪目标，飞机驾驶员在飞 行过程中，应使平视显示屏上的瞄准标志与目标对准。只要此系统一旦自动跟踪目标，则飞机上的激光测距-目标寻的 器中的测距仪即可从地面的目标指示-测距仪接收数据，为驾驶员指出不断变化的目标距离。飞机驾驶员的任务，就是 利用所接收的测距信息及平视显示屏中显示的目标数据，确定自动武器准确的射击时刻。
图5．12 “鹞”式飞机上使用的激光测距-目标寻的器(上图)及激光目标指示-测距仪(下图)
如无激光测距-目标寻的器，则可用其他机载装备进行测距，但驾驶员执行任务就困难得多。目标指示-测距仪还 可以发展成为自导引搜寻被激光束照射的目标的新型测距装备。
目前正在“美洲虎”、“鹞”及“旋风”式飞机上装备费伦蒂公司的激光测距-目标寻的器，其基础是光电Q开关 钕-钇铝石榴石激光器，它能发射出脉冲重复频率为10～20赫的激光。20赫的较高重复频率对操纵“铺路”激光制导武 器尤为适用，这种激光制导武器现正为英国皇家空军装备。
为求尺寸紧凑和较高的输入稳定性，此种激光器的谐振腔是折叠的，激光经一瞄准与激光发射望远镜的组合装置 输出。硅雪崩光电二极管用于测距，象限探测器用于控制飞机或导弹的姿态。
美国的马丁·玛丽埃塔公司也研制成一种名为“铜斑蛇”的激光制导炮弹，设计此种炮弹的目的是只用一发或两 发即能摧毁装甲车辆。“铜斑蛇”炮弹在弹头内装有激光探测器，它能经受住火炮发射时极高的线性加速度与回转加 速度以及极高的温度。 目标照明
部队要求提高夜视能力，因而导致了采用激光器来提高象增强器性能的做法。最简单的形式就是在目标周围亮度 不利于象增强器单独工作时，用一小手电筒状的装置来照射目标。有一种装置采用的是连续波型砷化镓激光器，其输 出功率为100毫瓦，在 100米距离时其光班直径可在1．5米-8米范围内变化。
还研制成一些对目标采用选通观察的更为先进的装置。这种技术在很大程度上降低了大气的后向散射效应，而这 种效应却是用非相干近红外光辐射对目标照明时使反差减弱的主要原因。采用脉冲式激光器，接收器只需在每一次脉 冲发射后才开通一个短暂的时间，因而后向散射效应将大为减少。至于图象，既可直接从象增强器上观察，也可间接 地由装入系统内的电视摄象机取得。后一种方法即微光电视。 跟踪
激光器最适宜于跟踪目标，尤其适宜于在低照度及夜间的行动。常把激光测距机视为跟踪系统的一部分。跟踪方 案可以有很多种，在跟踪系统中每一种方案各有其侧重点。例如跟踪卫星的要求不同于跟踪导弹或飞机，因为所需的 角速度差别极大。用于跟踪导弹群与机群时，对敌方目标与对协同已方作战的目标的要求也各有不同。但是在几乎所 有情况中都需要伴有常规雷达或光学观察仪器，因为搜索单个目标或目标群需要大视场；而跟踪则需用较窄视场的激 光跟踪器。这就类似在天文学中先利用广角望远镜为星体定位，然后转用高倍率窄视场望远镜进行更细致的观察一样 。
激光跟踪系统的工作原理与常规雷达相同。但它远优于以微波波段工作的雷达。因为激光波长相当短，故激光跟 踪系统尺寸比较小；又因为激光器的孔径比波长大，故衍射现象不明显，输出激光束具有相当高的方向性。这种优异 的方向性与波长相当短二者相结合，使得激光系统比多路径效应严重的微波波段，更不易受干扰。但激光器的旁瓣发 射比微波更小，故它发现目标的能力较差。
激光器的缺点是极易受天气影响，特别在以可见光与近红外波段工作时更为明显，也恰是在这一波段人眼视力更 易被损伤。脉冲式激光器要受光子噪声的干扰，但在微波频率工作的器件就不会出现光子噪声，因而连续波型激光器 则必须进行调制和检波，这样增加了系统的复杂性。
很多种激光器已在各类跟踪系统中得到应用。其中固态激光器有诸如红宝石与钕-钇铝石榴石，半导体激光器有砷 化镓等，这些均为Q开关脉冲型激光器。而应用的二氧化碳、氦-氖及氩等气体激光器，则采用连续运转和外部调制器 等工作方式。
通常将激光束用一望远镜使其扩束以减小激光束的发散角。为把激光束直接对准目标，激光器与望远镜可有几种 结合方式。其一是将激光光束先扩束再对向目标，即所谓定向仪方式。如果激光束先对向目标而后扩束，则称为“劳 德”望远镜式。
以下将举数例简述激光跟踪系统。读者可参阅其他有关专论以获得更详细的知识。
西尔万尼亚公司研制成一种机动性好的车载系统，用于跟踪已方协同行动的飞行。该系统装有一台Q开关关脉冲型 钕-钇铝石榴石激光器，其输出脉冲能量为50毫焦，宽度为15毫微秒、能以最大重复频率100赫工作。其光学结构为一 定向仪式，此定向仪有方位及俯仰均可调的末端传输反射镜， 可对目标连续地标定。对目的搜索是通过装有平行于 瞄准轴线用操纵杆控制的光导摄象管电视摄象机进，只要目标一在电视屏上定位该系统即进入全自动跟踪模式。在飞 机上装有后向反射器阵列以增强返回的光信号，此回光信号返回时经发射器的同一瞄准轴线后再经传输反射镜而到达 光束分离器，然后分别到达测距接收器及跟踪接收器。跟踪接收器装有硅二极管俯仰角探测器，它为伺服机构产生电 信号，以驱动透射镜从而保持目标位置。在距离计数器中以测距接收器信号作为停止脉冲，以与上述测距机相同的方 式计量距离。该系统能以方位及俯仰均为100微弧度的精度进行跟踪，并按照信号强度以0．2-1．5米精度进行测距， 可测定的最大距离约为30公里，飞机速度可达180米／秒， 其角速度可达2弧度／秒。
再例如在新墨西哥州白沙导弹靶场有一用于跟踪从发射架射出的导弹的连续波激光跟踪系统，其距离精度约0．1 米，跟踪精度100微弧度。该系统采用输出功率为5瓦的氩离子激光器通过完全可调而调校精度为50微弧度的调校反射 镜调制与发射。其激光束窄到可以保证无需后向反射器即能获得足够的回波信号，因而也可用以跟踪敌方目标。该系 统通常以±1°视场的扩散激光束进行全自动搜索。如瞄准点是在导弹头部时，则可大为降低由高热废气产生的无用信 号。
第三种系统为完全不同的以多普勒原理工作的跟踪系统，示于图5．13。
以速度V和角度9运动的目标，向发射器后向散射的辐射频率增量等于fd，有 fd = (2*V*f0*cosθ)/C 图5．13 多普勒原理 其中f0为发射器频率，C为辐射的激光光速。如果目标远离发射器运动，则后向散射辐射的频率将减小fd。 此一原理也可用于求径向速度分量以及被跟踪目标的距离，如图5．14所示。
在向运动目标发射激光束之前，已将频率为f0的激光信号调频和放大，然后返回的能量就转换为多普勒频率fd了 。由于这个频率太高，不能直接用光电探测器处理，故先将基准频率fg与小部分激光谐振器信号结合，然后将频率之 和[f0+fg]与返回信号混频而产生差频[f0-fd]，并将差频输进光电探测器。因fg为已知，故多普勒频率fd可通过测量 [f0-fd]来确定。因此，由上述公式可推导出径向速度，并按脉冲式激光测距机所用方法求出目标距离。
激光跟踪器优异的分辨率却也带来了狭窄的角锥形搜索范围，当然，这种狭窄的搜索范围却便于从目标群中选择 出单个目标。激光器与雷达相结合的搜索器，则能兼顾二者的优点而有最佳的性能，有些跟踪系统还对激光束采用微 波调制，以提高灵敏度。
一种作“制造完整性试验”的高功率二氧化碳多普勒系统是采用的调制连续波方式工作，并把雷达及可见光跟踪 组合在一起，以搜索目标。此设备能以极高的速度与精度跟踪已方协同行动的目标。
图5．14 多普勒系统
激光武器的出现，要求对高速目标及快速机动目标进行瞄准和跟踪的激光光束具有极高的精度。激光武器只有当 激光束对准目标要害部分并保持一定时间，直至摧毁才算是发挥了效能。对某些目标，要求跟踪偏差小于1微弧度，从 而做到在拦截期内使激光束能良好地覆盖杀伤点。激光武器上如果用一辅助激光器作为主动式跟踪器，很重要的一点 是跟踪器应选用与武器激光束相同的波长，只有如此，才能使两种激光束尽可能地受到同等大气传输的影响，且两种 激光束应采用同一瞄准轴线。另一种办法是径直用高功率激光武器的激光束作为跟踪，使敌方目标在跟踪时即受到激 光辐射对相关热点的杀伤，该相关点是利用被动光电技术所记录的目标特征图象上的参考点。 直接瞄准射击的模拟
激光器可作为坦克乘员对逼真的运动目标进行精确射击的训练器材，这样比常规的坦克乘员训练能大大简化组织 机构和后勤保障，节省弹药。
典型的以激光器为基础的模拟器工作方式为：只要坦克乘员准备妥当，火炮瞄住目标，射手就可按下击发按钮进 行射击，随之闪光发生器发光，与坦克火炮同轴安装的激光器发射出1-2秒钟的脉冲激光，由装在目标上的探测器接收 后自动地以无线电信号播出“命中”或“脱靶”信号并直接在炮手的目镜内显示。如果命中了，即在目标坦克上点燃 烟火，该坦克无线电信号消失且所装备的激光模拟器断路。由考核者再次接通电路恢复使用，或按预定的延迟后自动 恢复使用。
此种坦克火炮训练模拟器之一称为“西姆法”，由砷化镓激光器组成，发射出一连串能量为0．6毫焦、脉冲宽度 为100毫微秒的脉冲激光束，其重复频率范围为280～300赫。该训练器材的作用距离为400～2000米。
目标上每一探测器的方位角范围为90°，俯仰角范围为 35°，模拟一坦克炮塔需用4个探测器。表示“摧毁”的 目标区域尺寸为3米* 2米。
无线电通信联络采用晶体管控制， 工作频率为79兆赫。只有当探测器组件中任意一个接收到激光脉冲时无线电 通信联络才被接通，然后就以下均功率约为20瓦的2微秒脉冲脉动响应。
另一种由萨伯-斯堪尼亚公司制造的类似装置，称为BT41坦克作战模拟器，现正为瑞典陆军生产。其特点为对弹丸 的飞行和所用弹药进行适时模拟，并能准确地模拟目标要害部位的特性。此种装置还能在炮手瞄准镜内形成逼真的模 拟弹迹。激光束通过调制进行编码，以把信息传递给位于激光束与射弹之间的相关目标靶上，故目标靶可获得关于穿 过目标的射弹类型与弹着点坐标，以及攻击部队的特性等数据。目标上有12个探测器，并各附一个后向反射器，故可 以两种方式进行数据处理。根据弹丸坐标即可计算出相应的摧毁概率并估算命中效果，用软件系统也能算出条件概率 的变化情况，例如第二次命中的毁伤概率。此种BT41装置还能用于对其他目标的直接瞄准射击训练，例如对火炮与导 弹的直接瞄准射击，其目标图象的模拟是用软件来建立的。 今后发展 通信联络
作为通信联络手段，激光具有巨大潜力，现正逐步地在定向无线电通信及光导纤维通信系统小得到应用。激光束 很狭窄，因而具有高度的定向瞄准性能和良好的抗干扰性能，有利于短途保密通信。与微波通信类似，激光也可调制 从而传输语言或图象，这只需采用光闸变换激光束的振幅或用脉冲编码即可。与微波通信相比较二者之间的重要区别 在于激光束传输信息量极大。即使激光束的调制度较低，但由于频率高，频带宽度在音频信道按 100兆赫计，在电视 信道按100千赫计，约为微波通信容量的一千倍。当然激光通信也有缺点，最主要的就是大气传播损失较大。
但闭合式通信系统可避免大气传播引起的问题，这已由采用光导纤维而被验定。几种低损失光导玻璃纤维激光通 信装置已研制成功，证明对短程通信有很大潜力。与电气通信相比，这些装置的主要优点有二：
——重量比常规通信系统大约能减轻一个数量级，这对轻装行动颇有吸引力；
——不受相邻的电气系统的干扰，且不受核爆炸产生的电磁脉冲的干扰。
在光导纤维系统中，砷化镓是性能良好而很吸引人的材料。 全息摄影
现正考虑将激光全息摄影用于飞机上的平视显示器，使驾驶员能看到景物的三维立体图象。全息图象与普通图象 的区别在于前者具有立体形象。以激光器摄取和记录的全息摄影图象，驾驶员可从不同角度观察，其效果与对物体直 接观察相当。 惯性制导
现已将激光器用于惯性制导系统。它比常规的陀螺仪尺寸小、重量轻、费用低，而且更为稳定，也便于读取数据 。工作时有两个同波长的激光束围绕一矩形环形谐振腔反向传播，在一拐角处两激光束都穿过一光束分离装置并馈入 光电二级管。由于两激光束中有一光束沿环形腔传播的路程比另一光束远，这样形成两激光束之间的频率差，而此频 率差与环形腔的转速成正比，故测定频率差即能测得传感腔的旋转速度。将频率差输入随动系统即可稳定瞄准点。激 光陀螺仪不但用于飞机与导弹的制导，而且还可作为炮兵火力控制的极为精确的角度测量装置，为实现这些要求，已 经采用或研制了若干种激光器，其中最通用的是装入环形腔的氦氖激光器。也研制了钕-钇铝石榴石和砷化镓两种激光 制导系统，以用作光导纤维型激光装置的外部激光源。 自我测验题 1．激光与自然光有哪些不同?
2．激光器的基本构成部分是哪些?
3．如将激光器用于脉冲式测距机，还应附加哪些设备?
4．激光测距比之于雷达测距，其主要优点是什么?
5．激光测距比之于雷达测距，其主要缺点是什么?
6．假设一微波发射器的辐射波长为1厘米，如要求此发射器产生与5厘米直径空腔的二氧化碳激光器相同发散度的波束 ，问此微波发射器天线的尺寸应是多少?
7．有一单脉冲红宝石激光测距机的技术性能如下：
波长 0．694微米
脉冲能量 40毫焦
脉冲宽度 40毫微秒
激光束发散角 0．5毫弧度
激光束的出射直径 5厘米
试计算它对肉眼的额定人眼危险距离。
8．若戴上衰减率为90％的滤光目镜，效果又将如何?
9．有一连续波二氧化碳激光器的技术性能如下：
波长 10．6微米
功率 10瓦
激光束发散角 0．5毫弧度
激光束的出射直径 5厘米
试计算它对肉眼的额定人眼危险距离。
10．如题7与题9中的激光器用于战场对向静止目标，应采取哪些防护措施?
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2008-1-21 1:37:59
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