国外军用固体激微信公众号光技术发展现状 - 国外军用固体激光技术发展现状刘兴新　李燕兰摘　要：简述了固体激光器军事应用历程，指出二极管泵浦固体激光器在激光器军事应用中的主导地位；阐述了军用固体激光器技术的多种激光材料、多波长、大功率化、小型/微型化等四个主要发展方向。介绍了国外固体激光器在靶场测量、成像、制导、火控、化学战剂监测、风场测量、光电对抗、激光通信等方面的军事应用现状。关键词：固体激光器；测距；火控；激光雷达；光电对抗；激光通信1　前　言　　约40年前，当人类制造出第一台激光器――红宝石激光器，就引起了军方的极大关注，从那时起，人们就开始不断探索激光器的军事应用。六十年代，开始研制激光制导炸弹并通过鉴定、证明了激光雷达的可实现性并为激光雷达的发展打下初步基础；七十年代，YAG激光器成功地用于激光靶场测量，在此基础上发展成为高精度激光空间测量设备、激光测距机/指示器，激光半主动制导武器逐步装备；CO2激光雷达的一些关键器件取得进展，远程高精度外差CO2激光雷达取得阶段性成果。　　美国国防部一官员在八十年代初撰文所说：“激光研究，特别是中小功率激光研究，是国防部近十年来最成功的投资项目之一，……军队的战斗力已*它提高了一个数量级”。　　八十年代以来，各种作战飞机、主战坦克和舰艇等武器平台装备现代化任务提到日程上来，迫切需要各种光电装备，以提高武器系统的作战效能。激光技术用于战术攻击机近空支持火控系统、武装直升机导航、火控和防撞系统、坦克交战系统和巡航导弹制导系统等。相干激光雷达在工程化技术方面取得重要突破。　　九十年代，高技术局部战争成为战争的主要模式。海湾战争等高技术局部战争证明，光电武器装备对战术武器性能起到决定性作用。正在此时，二级管泵浦固体激光器(DPSSL)以其结构紧凑、可*性高、高效率、高光束质量、高峰值功率、寿命长等优越的特性脱颖而出，在前视/下视成像目标识别雷达、激光主动制导、火控、激光雷达探测化学战剂、探测水下目标、探测地雷、探测风场切变、直升机避障、激光卫星间通信、对潜通信、激光武器等研制和验证中显示出巨大的优越性而独领风骚。2　军用固体激光器技术发展现状　　在二极管泵浦固体激光器出现之前，军用固体激光器主要是闪光灯泵浦的Nd∶YAG激光器，它用于测距、制导、激光干扰，并有一些相干探测的探索性研究。具有代表性的高功率、Q开关固体激光器是1995年俄罗斯圣彼得堡激光物理研究所采用相位共轭技术，闪灯泵浦电光Q开关Nd∶YAG激光器，重复频率100Hz时每脉冲输出激光能量1J，光束质量3.4倍衍射限。　　DPSSL的总体效率至少要比灯泵浦高10倍，可在10%左右。这使所产生的废热降低到1/10，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率。DPSSL的系统寿命和可*性大约是闪光灯泵浦的系统的100倍。　　随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有大非线性常数的晶体的发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更高、光束质量更好、波长范围覆盖从紫外到红外的小型/微型DPSSL。它们的发展呈现齐头并进、全面开花的局面：多种激光材料、多波长、多种结构同时发展。由于体积的减小和性能的提高，不断取代旧的和开辟新的军事应用领域，那些几年前被其它激光器统治的应用，如激光相干探测雷达，如今已受到DPSSL全面挑战；那些几年前由大型固体激光器才能胜任的应用，如激光测距、激光致盲、激光雷达，如今小型的、甚至微型的全固态激光器将会高质量地完成任务。2.1　多种激光材料　　有多种激光材料可用二极管泵浦，它们的吸收谱分别与各种激光二极管的峰值发射波长很好地匹配，除了传统的激光介质YAG、YLF外，还有高增益的YVO4，可调谐的Ti∶Al2O3、Cr∶LiSAF、Cr∶LiCAF、Cr∶LiSGAF等，激活离子除传统的Nd离子外，还有Yb、Er、Tm、Ho离子、可调谐的Cr、Ti等多种离子。2.2　多波长　　不同的应用需求牵引人们去探索输出不同波长的激光器件。除探索多种激光晶体外，实现多波长的另外手段是采用可调谐激光器。从八十年代中期发展起来的新型可调谐激光晶体，再加上非线性晶体的发展，DPSSL的输出波长可覆盖从紫外到中红外的广大的光谱范围。目前输出的3～5μm波长范围的激光器，在红外对抗上有明确的应用需求，而光学参量振荡器(OPO)是最有希望的候选者。　　周期性极化非线性晶体是人工调制相位匹配的新型非线性材料，它可选用的有效非线性率比普通非线性材料大20倍，通过调节温度或移动具有多种畴长度的晶体便可进行输出波长的调谐。美国Light Solution的研究人员研制的采用周期性极化铌酸锂(PPLN)的腔内OPO，输出波长1.5～5.0μm，功率达6W。美国TRW公司的“三军通用中红外II型激光器”，是二极管泵浦Nd∶YAG激光器，使用光学谐振腔组来实现中红外波长(3.7～4.9μm)输出，输出功率20W，脉冲重复频率20千赫，光束质量极好。　　1996年美国LaSen公司在单块Nd∶MgO∶LiNbO3非线性晶体上首次实现了二极管泵浦光学参量振荡激光器(OPOL)，制成AN/GVS-5手持式激光测距机。　　美国Stanford大学Edward L.Ginzton实验室研制的高效自种籽注入脉冲掺钛蓝宝石激光器，采用倍频1.06μmNd∶YAG激光器泵浦，5ns近衍射极限的单纵模输出，每脉冲能量10mJ，斜率效率40%。　　美国Lawrence Livermore国家实验室采用按比例放大二极管端面泵浦技术、偏离激活离子主吸收峰的侧翼泵浦技术、在掺杂的激光棒两端各带有一小段非掺杂的“端帽”技术研制成连续波输出51W的高功率2μm二极管泵浦Tm∶YAG激光器。俄罗斯研制出YSGG∶Cr、Yb、Ho激光晶体，其激光波长在2.84～3.05μm之间连续可调，可获得15～20mJ脉冲激光输出。2.3　向大功率化发展　　DPSSL可能成为单脉冲输出最大能量的激光器，美国、法国和日本等国家正设计新一代巨型激光器热核聚变固体激光驱动器，这种激光器将产生每脉冲兆焦耳输出。目前已进行小型原理性实验并开拓成果的应用。美国采用的是二极管泵浦Yb∶Sr5(PO4)3F(简写为Yb∶S-FAP)激光器，预计2000财年达到每脉冲输出能量100J、重复频率10Hz、脉冲宽度1～10ns，总效率达10%、经放大每脉冲输出能量高于1kJ水平。　　自从1991年出现二极管阵列泵浦千瓦级激光器以来，短脉冲二极管泵浦固体激光器的亮度和平均功率提高了一个数量级。目前DPSSL在1.06μm处脉冲能量高达每脉冲10J，光束质量为1.25倍衍射限，重复频率33Hz。2.4　向小型/微型化发展　　由于二极管泵浦与传统的闪光灯泵浦特性有很大差别，耦合方式有直接耦合、光纤耦合、微透镜及透镜通道耦合、微透镜光学系统耦合等；二极管泵浦的固体激光器，往往激光介质本身还同时充当调制器件或非线性器件等其它功能，或者调制器件、非线性器件与激光介质紧贴在一起并完成腔的某个元件的功能。这样，腔的结构简单、可*、多功能、小型/微型的器件可输出高功率；另一方面，二极管泵浦波长可与激光模式很好地匹配、小型/微型结构具有固有的单模、单频特性、频率稳定性高，振幅噪声低，它们成为许多传感测量应用的理想光源。例如德国航空航天研究院技术物理所的研究人员构思了一种数百瓦的DPSSL新概念：采用非常薄的Yb∶YAG薄片，腔结构设计使热梯度与激光束共线、泵浦光在晶体中多次经过、采用光纤耦合泵浦。构思了这种薄片激光器按比例功率放大概念，可获得光束质量近衍射限的、高效率的、上百瓦的可调谐输出。　　作为固体激光器中的一员，光纤激光器的快速发展引人注目。光纤激光器的应用正在从传统的光通信向光雷达等应用领域扩展。包层泵浦技术显著地提高了端面泵浦效率。据CLEO’97会议报导，采用包层泵浦技术获得35W的连续波输出，不久将获得100W的连续波输出。将增益介质包围在单模纤芯之外，使增益介质位于模式场分布的尾部，增大能量存储容量。Southampton大学采用Yb环形掺杂光纤做高能量脉冲放大器，该技术与光纤包层泵浦技术相结合，预计可获得1mJ的脉冲能量。最近光纤元件的发展有力地推动了高峰值功率脉冲的产生。反射光栅可在光纤芯中制成，这样的布拉格光栅可具有大的色散性，适用于展宽和再压缩超短脉冲。有了这些元件，小型的、以光纤为基础的线性调频脉冲放大方案成为可行。利用这种方式，单模掺铒光纤放大器获得了超过10MW、600fs的脉冲。3　固体激光技术国外军用现状3.1　靶场、空间测量　　七十年代，以PATS系统为代表的YAG脉冲激光跟踪测量雷达已投入使用，目前导弹发射初始段和飞行姿态测量技术已比较成熟。将锁模Q开关固体激光器用于多个天文台进行测卫、测月研究，其测距精度为毫米量级。今后研究工作的重点将集中于多目标测量、真假目标识别和常规武器试验中暗、小、快、低、多为特点的目标测量。3.2　预警探测和反导精密跟瞄　　现代高技术战争中的一个重要特点是远程精确打击。巡航导弹的防御成为迫切需要。为此美国九十年代以来大力研究由红外搜索/跟踪(IRST)和激光雷达组成的主动/被动相结合的光电预警探测传感器系统。不仅提供精确的距离信息，而且快速地估算出目标弹道轨迹。美国的“眼镜蛇球”(Cobra Ball)预警机(RC-135S)已加装了测距能力达400km以上的YAG测距机，并于1998年服役，同时还将在2006年布置的YAC-1机载激光武器系统上使用。美国林肯实验室和海军空战中心为其战区导弹防御系统研制的“门警”系统(Gatekeeper)也采用了IRST加激光雷达的体制。其激光雷达采用Nd∶YAG激光泵浦的KTP光参量振荡器作辐射源，工作波长1.571μm，脉冲能量600mJ，脉宽10ns，光束发散角20μrad。直接探测方式工作，作用距离100～1000km，测距精度为1m，跟踪精度5μrad。目前该系统正在试用，拟将其装备于E-2C、S-3和E-3预警机并与战区C3网络联网。　　林肯实验室为“火池”激光雷达实验场研制的二极管泵浦Q开关Nd∶YAG直接探测激光雷达，非合作目标时测Delta卫星，距离分辨率为1m。3.3　目标成像识别　　利用激光束高空间分辨率成像特征对低观测性目标进行探测和识别，是军用激光雷达的重要应用，也是近几年激光雷达研制的重点项目。研究的重点向全固态激光成像转移，以满足机载、车载和弹载目标探测、侦察和制导的需求。目前，高重频光源，快速二维扫描和高速图像处理等关键技术已经解决，并研制出若干样机。3.4　精确制导　　半主动激光制导和驾波束制导的YAG激光跟踪/目标指示器已大量装备并应用于实战。今后精确制导用的激光器将逐步换代成DPSSL。　　激光雷达主动制导导弹具有“发射后不管”和攻击远距离目标的能力，是激光制导武器的发展方向。美国空军怀特实验室正在研制这种激光雷达寻的器，采用工作于1微米波长附近的非制冷的二极管泵浦固体激光器。激光雷达要求的自主目标截获算法要比红外成像系统简单得多，因而是一种更可*的寻的技术。新一批使用这种精确制导技术的将是“小型灵巧炸弹(SSB)”。美国雷声公司和道格拉斯宇宙公司分别为空射巡航导弹研制了激光制导雷达样机，用于巡航导弹防撞和末制导，现已装备AGM-129战斧式巡航导弹。此外，美国Hercules防御电子系统公司和Schwartz电光公司分别研制了武器制导用的二极管泵浦固体激光成像雷达和二极管激光成像雷达，1992年已研制样机并进行了成像试验。3.5　火　控　　各种火炮和导弹系统都可配备激光测距机/目标指示器，提高首发命中率，其型号繁多，已大量装备部队。战场用测距机由采用原来的1.06μm激光器转向人眼安全激光器。美国八十年代研制的LANTIRN机载目标瞄准吊舱已大量装备F-15、F-16等先进战机并在海湾战争等作战中发挥了重要作用。LANTIRN 2000通过选用三代前视红外传感器和可工作在12200m高度的先进二极管泵浦固体激光器，使其指示目标和测距的能力得以提高。经演示，该激光器较以前可*性提高，工作时间加长，这将降低系统成本。3.6　直升机避障雷达　　碰撞电力线、铁塔等近地低观测性目标，是造成武装直升机事故的主要原因。直升机避障雷达主要采用半导体成像激光雷达和DPSSL成像激光雷达，九十年代中期研制出样机。3.7　化学战剂监测和局部风场测量　　将激光雷达技术与光谱分析技术相结合进行化学战剂监测，探测灵敏度高，可以实时遥测和显示。波长可调谐激光器为多种化学战剂监测提供了理想的光源，整机正处于研制阶段。　　局部风场测量主要是采用脉冲相干多普勒激光雷达测量小范围风速分布，特别是水平风速切变，以修正弹道和防止飞机失控。地基和机载测风相干激光雷达采用二极管泵浦2μm固体激光器，最近Coherent技术公司研制出2μm高功率激光发射机(500mJ/脉，10Hz，400～500ns)将用于星载风测量。3.8　水下目标探测　　利用蓝绿激光在水中传输窗口效应，从机载平台上对水下目标(水雷和潜艇)快速探测和定位的双频扫描激光雷达现已开始装备，比较典型的产品是美国Kaman公司研制的“幻灯”激光水雷探测系统和Northrop公司研制的ALARMS系统，前者已用于海湾战争，探测深度约30m。美国国防关键计划中拟将蓝绿光水雷探测技术作为保持制海优势的重要项目之一进行研究。3.9　激光红外对抗、激光武器　　在现代局部战争中，具有强抗干扰能力的红外成像制导导弹已成为最具威协的武器之一。据统计，海湾战争中，75%的被击落飞机是被红外制导导弹击落的。用激光器做导向红外对抗的干扰源，可有效对抗新一代红外制导导弹。美国、英国研制的导向红外对抗(DIRCM)系统目前正处于工程开发阶段。其初级系统用闪光灯作干扰源。1999年初美国空军为DIRCM选定了低阈值周期性极化铌酸锂腔内光学参量振荡器作为其升级系统干扰源。　　中、小功率的用于人眼和传感器致盲的激光干扰机已装备部队，在海湾战争中美国曾将两台“鱼　工鱼”(stingray)反传感器激光干扰机运往伊拉克。美国国防部高级研究计划局正在实施的战术激光武器方案，计划研制二极管泵浦的板条激光器，单脉冲激光输出能量10J，最高重复频率100Hz。3.10　激光通信　　在激光对潜通信方面，美国的长远目标是对潜战略激光通信，阶段成果即机载战术激光对潜通信。1991年美国海军成功地进行了飞机与潜艇间的激光双路通信实验，1993年该项目的研究重点转向星载对潜通信。由于预算紧缩、技术难度大、研制目标从冷战上转移等原因，1993年该项目被美国海军终止。　　在激光卫星间通信方面，美国已经从理论研究发展到应用基础研究试验阶段。1985年，美国启动激光卫星间传输实验(LITE)项目。研究目的是地球同步轨道(GEO)和低轨道(LEO)之间以及卫星通过高空飞机和地面之间的激光通信。最近，Contraves Space公司为不同的卫星网络布局设计了激光通信终端系列，采用二极管泵浦固体激光器作光源，首台已于1997年建成，另外两台终端将于1999年搭载的LEO空间飞行器上，在轨道上进行全高数据率传输演示。3.11　印度从八十年代初起，研制各种光学、光电子和光纤等技术，生产了主战坦克用瞄准具/激光测距仪，九十年代初完成了高重复频率激光指示器的工程开发工作，研制成机载激光测距/指示系统。另外据称，我国台湾当局把光电子技术作为发展重点，列在“六年计划”八大关键技术之首位。已研制出配有激光近炸引信的第三代短程“天弓”Ⅰ型空空导弹和采用半主动雷达制导/红外末制导的“天弓”Ⅱ型中程空空导弹，还研制出CS/SPG-24火控雷达的光电成像跟踪器、CS/MP-78近空火控雷达的光电跟踪器、光电跟踪指挥仪、激光成像雷达等。4　结束语　　可以预计，信息战将是未来高技术战争的战略至高点，谁掌握着对信息的获取、控制和使用权，谁就在战争中处于居高临下的有利地位。激光技术作为获取和传输信息的重要手段，正面临着前所未有的挑战和机遇。由于需求的牵引和技术进步的强大推动，可*的小型多功能、多波长、高性能固体激光器逐步从实验验证走向实用化、进入装备，固体激光器军事应用将焕然一新，它将在21世纪信息化战场上发挥打得更准、看得更清、反应更快、生存能力更强等多方面的、不可替代的作用。作者简介：刘兴新　(1968)女，工程师，1990年毕业于合肥工业大学应用物理系，毕业后从事光电子专业科技情报工作。刘兴新（华北光电技术研究所，北京 10001）李燕兰（华北光电技术研究所，北京 10001）参考文献［1］High-power Yb∶YAG rod oscillators and amplifiers,Proc.SPIE0-105.［2］Design modeling of the 100-J diode-pumped solid-state laser for Project Mercury,Proc.SPIE 4-129.［3］Diode-array-pumped kilowatt laser,Proc.SPIE:［4］OSA Proceedings on advanced solid-state lasers,.［5］Space readiness coherent lidar experiment:validation of observing system simulations,Proc.SPIE :240-249.［6］Efficient self-seeding of a pulsed Ti∶Al2O3 laser,OPTICA LETTERS,):［7］Q-switched 1-J 100pps rod YAG laser with SBS mirror,Proc.SPIE 0.［8］Solid-state coherent lidar technology for space-based wind measurement,Proc.SPIE .［9］Laser communication terminals:a key building block for the new broadband satellite networks,Proc.SPIE,2. - 公共微信号
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&国外军用固体激光技术发展现状刘兴新　李燕兰摘　要：简述了固体激光器军事应用历程，指出二极管泵浦固体激光器在激光器军事应用中的主导地位；阐述了军用固体激光器技术的多种激光材料、多波长、大功率化、小型/微型化等四个主要发展方向。介绍了国外固体激光器在靶场测量、成像、制导、火控、化学战剂监测、风场测量、光电对抗、激光通信等方面的军事应用现状。关键词：固体激光器；测距；火控；激光雷达；光电对抗；激光通信1　前　言　　约40年前，当人类制造出第一台激光器――红宝石激光器，就引起了军方的极大关注，从那时起，人们就开始不断探索激光器的军事应用。六十年代，开始研制激光制导炸弹并通过鉴定、证明了激光雷达的可实现性并为激光雷达的发展打下初步基础；七十年代，YAG激光器成功地用于激光靶场测量，在此基础上发展成为高精度激光空间测量设备、激光测距机/指示器，激光半主动制导武器逐步装备；CO2激光雷达的一些关键器件取得进展，远程高精度外差CO2激光雷达取得阶段性成果。　　美国国防部一官员在八十年代初撰文所说：“激光研究，特别是中小功率激光研究，是国防部近十年来最成功的投资项目之一，……军队的战斗力已*它提高了一个数量级”。　　八十年代以来，各种作战飞机、主战坦克和舰艇等武器平台装备现代化任务提到日程上来，迫切需要各种光电装备，以提高武器系统的作战效能。激光技术用于战术攻击机近空支持火控系统、武装直升机导航、火控和防撞系统、坦克交战系统和巡航导弹制导系统等。相干激光雷达在工程化技术方面取得重要突破。　　九十年代，高技术局部战争成为战争的主要模式。海湾战争等高技术局部战争证明，光电武器装备对战术武器性能起到决定性作用。正在此时，二级管泵浦固体激光器(DPSSL)以其结构紧凑、可*性高、高效率、高光束质量、高峰值功率、寿命长等优越的特性脱颖而出，在前视/下视成像目标识别雷达、激光主动制导、火控、激光雷达探测化学战剂、探测水下目标、探测地雷、探测风场切变、直升机避障、激光卫星间通信、对潜通信、激光武器等研制和验证中显示出巨大的优越性而独领风骚。2　军用固体激光器技术发展现状　　在二极管泵浦固体激光器出现之前，军用固体激光器主要是闪光灯泵浦的Nd∶YAG激光器，它用于测距、制导、激光干扰，并有一些相干探测的探索性研究。具有代表性的高功率、Q开关固体激光器是1995年俄罗斯圣彼得堡激光物理研究所采用相位共轭技术，闪灯泵浦电光Q开关Nd∶YAG激光器，重复频率100Hz时每脉冲输出激光能量1J，光束质量3.4倍衍射限。　　DPSSL的总体效率至少要比灯泵浦高10倍，可在10%左右。这使所产生的废热降低到1/10，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率。DPSSL的系统寿命和可*性大约是闪光灯泵浦的系统的100倍。　　随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有大非线性常数的晶体的发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更高、光束质量更好、波长范围覆盖从紫外到红外的小型/微型DPSSL。它们的发展呈现齐头并进、全面开花的局面：多种激光材料、多波长、多种结构同时发展。由于体积的减小和性能的提高，不断取代旧的和开辟新的军事应用领域，那些几年前被其它激光器统治的应用，如激光相干探测雷达，如今已受到DPSSL全面挑战；那些几年前由大型固体激光器才能胜任的应用，如激光测距、激光致盲、激光雷达，如今小型的、甚至微型的全固态激光器将会高质量地完成任务。2.1　多种激光材料　　有多种激光材料可用二极管泵浦，它们的吸收谱分别与各种激光二极管的峰值发射波长很好地匹配，除了传统的激光介质YAG、YLF外，还有高增益的YVO4，可调谐的Ti∶Al2O3、Cr∶LiSAF、Cr∶LiCAF、Cr∶LiSGAF等，激活离子除传统的Nd离子外，还有Yb、Er、Tm、Ho离子、可调谐的Cr、Ti等多种离子。2.2　多波长　　不同的应用需求牵引人们去探索输出不同波长的激光器件。除探索多种激光晶体外，实现多波长的另外手段是采用可调谐激光器。从八十年代中期发展起来的新型可调谐激光晶体，再加上非线性晶体的发展，DPSSL的输出波长可覆盖从紫外到中红外的广大的光谱范围。目前输出的3～5μm波长范围的激光器，在红外对抗上有明确的应用需求，而光学参量振荡器(OPO)是最有希望的候选者。　　周期性极化非线性晶体是人工调制相位匹配的新型非线性材料，它可选用的有效非线性率比普通非线性材料大20倍，通过调节温度或移动具有多种畴长度的晶体便可进行输出波长的调谐。美国Light Solution的研究人员研制的采用周期性极化铌酸锂(PPLN)的腔内OPO，输出波长1.5～5.0μm，功率达6W。美国TRW公司的“三军通用中红外II型激光器”，是二极管泵浦Nd∶YAG激光器，使用光学谐振腔组来实现中红外波长(3.7～4.9μm)输出，输出功率20W，脉冲重复频率20千赫，光束质量极好。　　1996年美国LaSen公司在单块Nd∶MgO∶LiNbO3非线性晶体上首次实现了二极管泵浦光学参量振荡激光器(OPOL)，制成AN/GVS-5手持式激光测距机。　　美国Stanford大学Edward L.Ginzton实验室研制的高效自种籽注入脉冲掺钛蓝宝石激光器，采用倍频1.06μmNd∶YAG激光器泵浦，5ns近衍射极限的单纵模输出，每脉冲能量10mJ，斜率效率40%。　　美国Lawrence Livermore国家实验室采用按比例放大二极管端面泵浦技术、偏离激活离子主吸收峰的侧翼泵浦技术、在掺杂的激光棒两端各带有一小段非掺杂的“端帽”技术研制成连续波输出51W的高功率2μm二极管泵浦Tm∶YAG激光器。俄罗斯研制出YSGG∶Cr、Yb、Ho激光晶体，其激光波长在2.84～3.05μm之间连续可调，可获得15～20mJ脉冲激光输出。2.3　向大功率化发展　　DPSSL可能成为单脉冲输出最大能量的激光器，美国、法国和日本等国家正设计新一代巨型激光器热核聚变固体激光驱动器，这种激光器将产生每脉冲兆焦耳输出。目前已进行小型原理性实验并开拓成果的应用。美国采用的是二极管泵浦Yb∶Sr5(PO4)3F(简写为Yb∶S-FAP)激光器，预计2000财年达到每脉冲输出能量100J、重复频率10Hz、脉冲宽度1～10ns，总效率达10%、经放大每脉冲输出能量高于1kJ水平。　　自从1991年出现二极管阵列泵浦千瓦级激光器以来，短脉冲二极管泵浦固体激光器的亮度和平均功率提高了一个数量级。目前DPSSL在1.06μm处脉冲能量高达每脉冲10J，光束质量为1.25倍衍射限，重复频率33Hz。2.4　向小型/微型化发展　　由于二极管泵浦与传统的闪光灯泵浦特性有很大差别，耦合方式有直接耦合、光纤耦合、微透镜及透镜通道耦合、微透镜光学系统耦合等；二极管泵浦的固体激光器，往往激光介质本身还同时充当调制器件或非线性器件等其它功能，或者调制器件、非线性器件与激光介质紧贴在一起并完成腔的某个元件的功能。这样，腔的结构简单、可*、多功能、小型/微型的器件可输出高功率；另一方面，二极管泵浦波长可与激光模式很好地匹配、小型/微型结构具有固有的单模、单频特性、频率稳定性高，振幅噪声低，它们成为许多传感测量应用的理想光源。例如德国航空航天研究院技术物理所的研究人员构思了一种数百瓦的DPSSL新概念：采用非常薄的Yb∶YAG薄片，腔结构设计使热梯度与激光束共线、泵浦光在晶体中多次经过、采用光纤耦合泵浦。构思了这种薄片激光器按比例功率放大概念，可获得光束质量近衍射限的、高效率的、上百瓦的可调谐输出。　　作为固体激光器中的一员，光纤激光器的快速发展引人注目。光纤激光器的应用正在从传统的光通信向光雷达等应用领域扩展。包层泵浦技术显著地提高了端面泵浦效率。据CLEO’97会议报导，采用包层泵浦技术获得35W的连续波输出，不久将获得100W的连续波输出。将增益介质包围在单模纤芯之外，使增益介质位于模式场分布的尾部，增大能量存储容量。Southampton大学采用Yb环形掺杂光纤做高能量脉冲放大器，该技术与光纤包层泵浦技术相结合，预计可获得1mJ的脉冲能量。最近光纤元件的发展有力地推动了高峰值功率脉冲的产生。反射光栅可在光纤芯中制成，这样的布拉格光栅可具有大的色散性，适用于展宽和再压缩超短脉冲。有了这些元件，小型的、以光纤为基础的线性调频脉冲放大方案成为可行。利用这种方式，单模掺铒光纤放大器获得了超过10MW、600fs的脉冲。3　固体激光技术国外军用现状3.1　靶场、空间测量　　七十年代，以PATS系统为代表的YAG脉冲激光跟踪测量雷达已投入使用，目前导弹发射初始段和飞行姿态测量技术已比较成熟。将锁模Q开关固体激光器用于多个天文台进行测卫、测月研究，其测距精度为毫米量级。今后研究工作的重点将集中于多目标测量、真假目标识别和常规武器试验中暗、小、快、低、多为特点的目标测量。3.2　预警探测和反导精密跟瞄　　现代高技术战争中的一个重要特点是远程精确打击。巡航导弹的防御成为迫切需要。为此美国九十年代以来大力研究由红外搜索/跟踪(IRST)和激光雷达组成的主动/微信公众号被动相结合的光电预警探测传感器系统。不仅提供精确的距离信息，而且快速地估算出目标弹道轨迹。美国的“眼镜蛇球”(Cobra Ball)预警机(RC-135S)已加装了测距能力达400km以上的YAG测距机，并于1998年服役，同时还将在2006年布置的YAC-1机载激光武器系统上使用。美国林肯实验室和海军空战中心为其战区导弹防御系统研制的“门警”系统(Gatekeeper)也采用了IRST加激光雷达的体制。其激光雷达采用Nd∶YAG激光泵浦的KTP光参量振荡器作辐射源，工作波长1.571μm，脉冲能量600mJ，脉宽10ns，光束发散角20μrad。直接探测方式工作，作用距离100～1000km，测距精度为1m，跟踪精度5μrad。目前该系统正在试用，拟将其装备于E-2C、S-3和E-3预警机并与战区C3网络联网。　　林肯实验室为“火池”激光雷达实验场研制的二极管泵浦Q开关Nd∶YAG直接探测激光雷达，非合作目标时测Delta卫星，距离分辨率为1m。3.3　目标成像识别　　利用激光束高空间分辨率成像特征对低观测性目标进行探测和识别，是军用激光雷达的重要应用，也是近几年激光雷达研制的重点项目。研究的重点向全固态激光成像转移，以满足机载、车载和弹载目标探测、侦察和制导的需求。目前，高重频光源，快速二维扫描和高速图像处理等关键技术已经解决，并研制出若干样机。3.4　精确制导　　半主动激光制导和驾波束制导的YAG激光跟踪/目标指示器已大量装备并应用于实战。今后精确制导用的激光器将逐步换代成DPSSL。　　激光雷达主动制导导弹具有“发射后不管”和攻击远距离目标的能力，是激光制导武器的发展方向。美国空军怀特实验室正在研制这种激光雷达寻的器，采用工作于1微米波长附近的非制冷的二极管泵浦固体激光器。激光雷达要求的自主目标截获算法要比红外成像系统简单得多，因而是一种更可*的寻的技术。新一批使用这种精确制导技术的将是“小型灵巧炸弹(SSB)”。美国雷声公司和道格拉斯宇宙公司分别为空射巡航导弹研制了激光制导雷达样机，用于巡航导弹防撞和末制导，现已装备AGM-129战斧式巡航导弹。此外，美国Hercules防御电子系统公司和Schwartz电光公司分别研制了武器制导用的二极管泵浦固体激光成像雷达和二极管激光成像雷达，1992年已研制样机并进行了成像试验。3.5　火　控　　各种火炮和导弹系统都可配备激光测距机/目标指示器，提高首发命中率，其型号繁多，已大量装备部队。战场用测距机由采用原来的1.06μm激光器转向人眼安全激光器。美国八十年代研制的LANTIRN机载目标瞄准吊舱已大量装备F-15、F-16等先进战机并在海湾战争等作战中发挥了重要作用。LANTIRN 2000通过选用三代前视红外传感器和可工作在12200m高度的先进二极管泵浦固体激光器，使其指示目标和测距的能力得以提高。经演示，该激光器较以前可*性提高，工作时间加长，这将降低系统成本。3.6　直升机避障雷达　　碰撞电力线、铁塔等近地低观测性目标，是造成武装直升机事故的主要原因。直升机避障雷达主要采用半导体成像激光雷达和DPSSL成像激光雷达，九十年代中期研制出样机。3.7　化学战剂监测和局部风场测量　　将激光雷达技术与光谱分析技术相结合进行化学战剂监测，探测灵敏度高，可以实时遥测和显示。波长可调谐激光器为多种化学战剂监测提供了理想的光源，整机正处于研制阶段。　　局部风场测量主要是采用脉冲相干多普勒激光雷达测量小范围风速分布，特别是水平风速切变，以修正弹道和防止飞机失控。地基和机载测风相干激光雷达采用二极管泵浦2μm固体激光器，最近Coherent技术公司研制出2μm高功率激光发射机(500mJ/脉，10Hz，400～500ns)将用于星载风测量。3.8　水下目标探测　　利用蓝绿激光在水中传输窗口效应，从机载平台上对水下目标(水雷和潜艇)快速探测和定位的双频扫描激光雷达现已开始装备，比较典型的产品是美国Kaman公司研制的“幻灯”激光水雷探测系统和Northrop公司研制的ALARMS系统，前者已用于海湾战争，探测深度约30m。美国国防关键计划中拟将蓝绿光水雷探测技术作为保持制海优势的重要项目之一进行研究。3.9　激光红外对抗、激光武器　　在现代局部战争中，具有强抗干扰能力的红外成像制导导弹已成为最具威协的武器之一。据统计，海湾战争中，75%的被击落飞机是被红外制导导弹击落的。用激光器做导向红外对抗的干扰源，可有效对抗新一代红外制导导弹。美国、英国研制的导向红外对抗(DIRCM)系统目前正处于工程开发阶段。其初级系统用闪光灯作干扰源。1999年初美国空军为DIRCM选定了低阈值周期性极化铌酸锂腔内光学参量振荡器作为其升级系统干扰源。　　中、小功率的用于人眼和传感器致盲的激光干扰机已装备部队，在海湾战争中美国曾将两台“鱼　工鱼”(stingray)反传感器激光干扰机运往伊拉克。美国国防部高级研究计划局正在实施的战术激光武器方案，计划研制二极管泵浦的板条激光器，单脉冲激光输出能量10J，最高重复频率100Hz。3.10　激光通信　　在激光对潜通信方面，美国的长远目标是对潜战略激光通信，阶段成果即机载战术激光对潜通信。1991年美国海军成功地进行了飞机与潜艇间的激光双路通信实验，1993年该项目的研究重点转向星载对潜通信。由于预算紧缩、技术难度大、研制目标从冷战上转移等原因，1993年该项目被美国海军终止。　　在激光卫星间通信方面，美国已经从理论研究发展到应用基础研究试验阶段。1985年，美国启动激光卫星间传输实验(LITE)项目。研究目的是地球同步轨道(GEO)和低轨道(LEO)之间以及卫星通过高空飞机和地面之间的激光通信。最近，Contraves Space公司为不同的卫星网络布局设计了激光通信终端系列，采用二极管泵浦固体激光器作光源，首台已于1997年建成，另外两台终端将于1999年搭载的LEO空间飞行器上，在轨道上进行全高数据率传输演示。3.11　印度从八十年代初起，研制各种光学、光电子和光纤等技术，生产了主战坦克用瞄准具/激光测距仪，九十年代初完成了高重复频率激光指示器的工程开发工作，研制成机载激光测距/指示系统。另外据称，我国台湾当局把光电子技术作为发展重点，列在“六年计划”八大关键技术之首位。已研制出配有激光近炸引信的第三代短程“天弓”Ⅰ型空空导弹和采用半主动雷达制导/红外末制导的“天弓”Ⅱ型中程空空导弹，还研制出CS/SPG-24火控雷达的光电成像跟踪器、CS/MP-78近空火控雷达的光电跟踪器、光电跟踪指挥仪、激光成像雷达等。4　结束语　　可以预计，信息战将是未来高技术战争的战略至高点，谁掌握着对信息的获取、控制和使用权，谁就在战争中处于居高临下的有利地位。激光技术作为获取和传输信息的重要手段，正面临着前所未有的挑战和机遇。由于需求的牵引和技术进步的强大推动，可*的小型多功能、多波长、高性能固体激光器逐步从实验验证走向实用化、进入装备，固体激光器军事应用将焕然一新，它将在21世纪信息化战场上发挥打得更准、看得更清、反应更快、生存能力更强等多方面的、不可替代的作用。作者简介：刘兴新　(1968)女，工程师，1990年毕业于合肥工业大学应用物理系，毕业后从事光电子专业科技情报工作。刘兴新（华北光电技术研究所，北京 10001）李燕兰（华北光电技术研究所，北京 10001）参考文献［1］High-power Yb∶YAG rod oscillators and amplifiers,Proc.SPIE0-105.［2］Design modeling of the 100-J diode-pumped solid-state laser for Project Mercury,Proc.SPIE 4-129.［3］Diode-array-pumped kilowatt laser,Proc.SPIE:［4］OSA Proceedings on advanced solid-state lasers,.［5］Space readiness coherent lidar experiment:validation of observing system simulations,Proc.SPIE :240-249.［6］Efficient self-seeding of a pulsed Ti∶Al2O3 laser,OPTICA LETTERS,):［7］Q-switched 1-J 100pps rod YAG laser with SBS mirror,Proc.SPIE 0.［8］Solid-state coherent lidar technology for space-based wind measurement,Proc.SPIE .［9］Laser communication terminals:a key building block for the new broadband satellite networks,Proc.SPIE,2.
&请问楼主,在大的输出能量下如何压窄发散角,有这方面的资料吗?
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