De acordo com o mecanismo de geração diferente de lasers infravermelhos de ondas curtas, existem três tipos de lasers infravermelhos de ondas curtas, ou seja, lasers de semicondutores, lasers de fibra e lasers de estado sólido.Entre eles, os lasers de estado sólido podem ser divididos em lasers de estado sólido baseados na conversão óptica de comprimento de onda não linear e lasers de estado sólido que geram diretamente lasers infravermelhos de ondas curtas a partir de materiais de trabalho a laser.
Os lasers semicondutores usam materiais semicondutores como materiais de trabalho a laser, e o comprimento de onda do laser de saída é determinado pelo intervalo de banda dos materiais semicondutores.Com o desenvolvimento da ciência dos materiais, as bandas de energia dos materiais semicondutores podem ser adaptadas a uma ampla gama de comprimentos de onda do laser por meio da engenharia de bandas de energia.Portanto, vários comprimentos de onda do laser infravermelho de ondas curtas podem ser obtidos com lasers semicondutores.
O material de trabalho típico do laser semicondutor infravermelho de onda curta é o material de fósforo.Por exemplo, um laser semicondutor de fosfeto de índio com um tamanho de abertura de 95 μm tem comprimentos de onda de saída de laser de 1,55 μm e 1,625 μm e a potência atingiu 1,5 W.
O laser de fibra usa fibra de vidro dopada com terras raras como meio de laser e laser semicondutor como fonte de bomba.Possui excelentes características, como baixo limiar, alta eficiência de conversão, boa qualidade do feixe de saída, estrutura simples e alta confiabilidade.Ele também pode aproveitar o amplo espectro de radiação de íons de terras raras para formar um laser de fibra sintonizável adicionando elementos ópticos seletivos, como grades no ressonador do laser.Os lasers de fibra tornaram-se uma direção importante no desenvolvimento da tecnologia laser.
1.Laser de estado sólido
Os meios de ganho de laser de estado sólido que podem gerar diretamente lasers infravermelhos de ondas curtas são principalmente cristais e cerâmicas Er: YAG e vidro dopado com Er.O laser de estado sólido baseado em cristal e cerâmica Er:YAG pode produzir diretamente laser infravermelho de onda curta de 1.645μm, que é um ponto quente na pesquisa de laser infravermelho de onda curta nos últimos anos [3-5].Atualmente, a energia de pulso dos lasers Er: YAG usando Q-switching eletro-óptico ou acústico-óptico atingiu alguns a dezenas de mJ, uma largura de pulso de dezenas de ns e uma frequência de repetição de dezenas a milhares de Hz.Se um laser semicondutor de 1,532 μm for usado como fonte de bomba, ele terá grandes vantagens no campo de reconhecimento ativo de laser e contramedidas de laser, especialmente seu efeito furtivo em dispositivos típicos de alerta de laser.
Laser de vidro Er tem estrutura compacta, baixo custo, peso leve e pode realizar operação Q-switched.É a fonte de luz preferida para detecção ativa de laser infravermelho de ondas curtas.No entanto, devido às quatro deficiências dos materiais de vidro Er: Primeiro, o comprimento de onda central do espectro de absorção é 940 nm ou 976 nm, o que dificulta o bombeamento da lâmpada;Em segundo lugar, a preparação de materiais de vidro Er é difícil e não é fácil fabricar tamanhos grandes;Terceiro, o vidro Er O material tem propriedades térmicas ruins e não é fácil obter operação de frequência repetitiva por um longo tempo, muito menos operação contínua;quarto, não há material de comutação Q adequado.Embora a pesquisa do laser infravermelho de ondas curtas com base no vidro Er sempre tenha atraído a atenção das pessoas, devido às quatro razões acima, nenhum produto foi lançado.Até 1990, com o surgimento de barras de laser semicondutores com comprimentos de onda de 940 nm e 980 nm, e o surgimento de materiais de absorção saturada, como Co2+:MgAl2O4 (aluminato de magnésio dopado com cobalto), os dois principais gargalos da fonte da bomba e do Q-switching foram quebrados.A pesquisa sobre lasers de vidro se desenvolveu rapidamente.Especialmente nos últimos anos, o módulo laser de vidro Er em miniatura do meu país, que integra fonte de bomba semicondutora, vidro Er e cavidade ressonante, pesa não mais que 10 g e tem uma pequena capacidade de produção em lote de módulos de potência de pico de 50 kW.No entanto, devido ao fraco desempenho térmico do material de vidro Er, a frequência de repetição do módulo de laser ainda é relativamente baixa.A frequência do laser do módulo de 50 kW é de apenas 5 Hz e a frequência máxima do laser do módulo de 20 kW é de 10 Hz, que só pode ser usada em aplicações de baixa frequência.
A saída de laser de 1,064 μm do laser pulsado Nd:YAG tem uma potência de pico de até megawatts.Quando uma luz coerente tão forte passa por alguns materiais especiais, seus fótons são espalhados inelasticamente nas moléculas do material, ou seja, os fótons são absorvidos e produzidos fótons de frequência relativamente baixa.Existem dois tipos de substâncias que podem alcançar esse efeito de conversão de frequência: um é o cristal não linear, como KTP, LiNbO3, etc.;o outro é um gás de alta pressão, como H2.Coloque-os na cavidade ressonante óptica para formar um oscilador paramétrico óptico (OPO).
OPO baseado em gás de alta pressão geralmente se refere a um oscilador paramétrico de luz de dispersão Raman estimulado.A luz da bomba é parcialmente absorvida e gera uma onda de luz de baixa frequência.O laser Raman maduro usa um laser de 1,064 μm para bombear gás de alta pressão H2 para obter um laser infravermelho de onda curta de 1,54 μm.
IMAGEM 1
A aplicação típica do sistema GV infravermelho de ondas curtas é a geração de imagens de longa distância à noite.O iluminador a laser deve ser um laser infravermelho de ondas curtas de pulso curto com alta potência de pico e sua frequência de repetição deve ser consistente com a frequência de quadro da câmera estroboscópica.De acordo com o status atual dos lasers infravermelhos de ondas curtas em casa e no exterior, os lasers Er: YAG com bombeamento de diodo e os lasers de estado sólido de 1,57 μm baseados em OPO são as melhores escolhas.A frequência de repetição e potência de pico do laser de vidro Er em miniatura ainda precisam ser melhorados.3.Aplicação do laser infravermelho de ondas curtas no anti-reconhecimento fotoelétrico
A essência do anti-reconhecimento a laser infravermelho de ondas curtas é irradiar o equipamento de reconhecimento optoeletrônico do inimigo que trabalha na banda infravermelha de ondas curtas com feixes de laser infravermelho de ondas curtas, para que ele possa obter informações erradas do alvo ou não funcione normalmente, ou mesmo o detector está danificado.Existem dois métodos típicos de anti-reconhecimento de laser infravermelho de ondas curtas, ou seja, a interferência de engano de distância no telêmetro a laser seguro para os olhos humanos e o dano de supressão na câmera infravermelha de ondas curtas.
1.1 Interferência de engano de distância para telêmetro a laser de segurança ocular
O telêmetro a laser pulsado converte a distância entre o alvo e o alvo pelo intervalo de tempo do pulso do laser indo e voltando entre o ponto de lançamento e o alvo.Se o detector de telêmetro receber outros pulsos de laser antes que o sinal de eco refletido do alvo atinja o ponto de lançamento, ele irá parar de cronometrar e a distância convertida não é a distância real do alvo, mas menor que a distância real do alvo.Distância falsa, que atinge o objetivo de enganar a distância do telêmetro.Para telêmetros a laser seguros para os olhos, lasers de pulso infravermelho de ondas curtas do mesmo comprimento de onda podem ser usados para implementar interferência de engano de distância.
O laser que implementa a interferência de decepção de distância do telêmetro simula a reflexão difusa do alvo para o laser, de modo que a potência de pico do laser é muito baixa, mas as duas condições a seguir devem ser atendidas:
1) O comprimento de onda do laser deve ser o mesmo que o comprimento de onda de trabalho do telêmetro com interferência.Um filtro de interferência é instalado na frente do detector telêmetro e a largura de banda é muito estreita.Lasers com comprimentos de onda diferentes do comprimento de onda de trabalho não podem alcançar a superfície fotossensível do detector.Mesmo os lasers de 1,54 μm e 1,57 μm com comprimentos de onda semelhantes não podem interferir entre si.
2) A frequência de repetição do laser deve ser alta o suficiente.O detector telêmetro responde ao sinal do laser atingindo sua superfície fotossensível somente quando o alcance é medido.Para obter interferência efetiva, o pulso de interferência deve, pelo menos, espremer na porta de onda do telêmetro 2 a 3 pulsos.A porta de alcance que pode ser alcançada atualmente é da ordem de μs, então o laser interferente deve ter uma alta frequência de repetição.Tomando como exemplo uma distância alvo de 3 km, o tempo necessário para o laser ir e voltar uma vez é de 20 μs.Se pelo menos 2 pulsos forem inseridos, a frequência de repetição do laser deve atingir 50 kHz.Se o alcance mínimo do telêmetro a laser for de 300 m, a frequência de repetição do jammer não pode ser inferior a 500 kHz.Somente lasers de semicondutores e lasers de fibra podem atingir uma taxa de repetição tão alta.
1.2 Interferência supressiva e danos a câmeras infravermelhas de ondas curtas
Como o componente principal do sistema de imagem infravermelha de ondas curtas, a câmera infravermelha de ondas curtas tem uma faixa dinâmica limitada de potência óptica de resposta de seu detector de plano focal InGaAs.Se a potência óptica incidente exceder o limite superior da faixa dinâmica, ocorrerá saturação e o detector não poderá realizar imagens normais.Maior potência O laser causará danos permanentes ao detector.
Lasers semicondutores contínuos e de baixa potência de pico e lasers de fibra com alta frequência de repetição são adequados para supressão contínua de interferência de câmeras infravermelhas de ondas curtas.Irradie continuamente a câmera infravermelha de ondas curtas com um laser.Devido ao efeito de condensação de grande ampliação da lente óptica, a área atingida pelo ponto difuso do laser no plano focal do InGaAs é severamente saturada e, portanto, não pode ser visualizada normalmente.Somente após a irradiação do laser ser interrompida por um período de tempo, o desempenho da imagem pode gradualmente retornar ao normal.
De acordo com os resultados de muitos anos de pesquisa e desenvolvimento de produtos de contramedida ativa a laser nas bandas visível e infravermelha próxima e testes de eficácia de dano de campo múltiplo, apenas lasers de pulso curto com potência de pico de megawatts e acima podem causar danos irreversíveis à TV câmeras a uma distância de quilômetros de distância.dano.Se o efeito de dano pode ser alcançado, a potência de pico do laser é a chave.Enquanto a potência de pico for maior que o limite de dano do detector, um único pulso pode danificar o detector.Do ponto de vista da dificuldade de design do laser, dissipação de calor e consumo de energia, a frequência de repetição do laser não precisa necessariamente atingir a taxa de quadros da câmera ou até mais, e 10 Hz a 20 Hz pode atender a aplicações de combate reais.Naturalmente, as câmeras infravermelhas de ondas curtas não são exceção.
Os detectores de plano focal InGaAs incluem CCDs de bombardeio de elétrons baseados em fotocátodos de migração eletrônica InGaAs/InP e CMOS desenvolvidos posteriormente.Seus limiares de saturação e dano estão na mesma ordem de grandeza dos CCD/CMOS baseados em Si, mas detectores baseados em InGaAs/InP ainda não foram obtidos.Dados de limiar de saturação e dano de CCD/COMS.
De acordo com o status atual dos lasers infravermelhos de ondas curtas em casa e no exterior, o laser de estado sólido de frequência repetitiva de 1,57 μm baseado em OPO ainda é a melhor escolha para danos a laser em CCD/COMS.Seu alto desempenho de penetração atmosférica e laser de pulso curto de alta potência de pico A cobertura do ponto de luz e as características efetivas de pulso único são óbvias para o poder de morte suave do sistema optoeletrônico de longa distância equipado com câmeras infravermelhas de ondas curtas.
2 .Conclusão
Os lasers infravermelhos de ondas curtas com comprimentos de onda entre 1,1 μm e 1,7 μm têm alta transmitância atmosférica e forte capacidade de penetrar em neblina, chuva, neve, fumaça, areia e poeira.É invisível para equipamentos tradicionais de visão noturna com pouca luz.O laser na faixa de 1,4 μm a 1,6 μm é seguro para o olho humano e possui características distintas, como um detector maduro com um comprimento de onda de resposta de pico nessa faixa, e tornou-se uma importante direção de desenvolvimento para aplicações militares de laser.
Este artigo analisa as características técnicas e o status quo de quatro lasers infravermelhos de ondas curtas típicos, incluindo lasers semicondutores de fósforo, lasers de fibra dopada com Er, lasers de estado sólido dopados com Er e lasers de estado sólido baseados em OPO, e resume o uso desses lasers infravermelhos de ondas curtas em reconhecimento ativo fotoelétrico.Aplicações típicas em anti-reconhecimento.
1) Lasers semicondutores de fósforo contínuos e de baixa potência de pico e alta frequência de repetição e lasers de fibra dopada com Er são usados principalmente para iluminação auxiliar para vigilância furtiva de longa distância e visando à noite e suprimindo a interferência nas câmeras infravermelhas de ondas curtas inimigas.Lasers de semicondutores de fósforo de pulso curto de alta repetição e lasers de fibra dopada com Er também são fontes de luz ideais para alcance de segurança ocular de sistema multipulso, radar de imagem de varredura a laser e interferência de decepção de distância de telêmetro a laser de segurança ocular.
2) Lasers de estado sólido baseados em OPO com uma taxa de repetição baixa, mas com uma potência de pico de megawatts ou mesmo dez megawatts podem ser amplamente usados em radar de imagem flash, observação de disparo de laser de longa distância à noite, dano de laser infravermelho de onda curta e olhos humanos remotos de modo tradicional Alcance do laser de segurança.
3) O laser de vidro Er em miniatura é uma das direções de crescimento mais rápido dos lasers infravermelhos de ondas curtas nos últimos anos.Os níveis atuais de potência e frequência de repetição podem ser usados em telêmetros a laser de segurança ocular em miniatura.Com o tempo, uma vez que a potência de pico atinge o nível de megawatt, ela pode ser usada para radar de imagem flash, observação de gating a laser e danos a laser em câmeras infravermelhas de ondas curtas.
4) O laser Er:YAG bombeado por diodo que esconde o dispositivo de aviso de laser é a direção de desenvolvimento principal de lasers infravermelhos de ondas curtas de alta potência.Tem grande potencial de aplicação em flash lidar, observação de disparo de laser de longa distância à noite e dano de laser.
Nos últimos anos, como os sistemas de armas têm requisitos cada vez maiores para a integração de sistemas optoeletrônicos, o equipamento a laser pequeno e leve tornou-se uma tendência inevitável no desenvolvimento de equipamentos a laser.Lasers semicondutores, lasers de fibra e lasers em miniatura com tamanho pequeno, peso leve e baixo consumo de energia Os lasers de vidro Er tornaram-se a direção principal do desenvolvimento de lasers infravermelhos de ondas curtas.Em particular, os lasers de fibra com boa qualidade de feixe têm grande potencial de aplicação em iluminação auxiliar noturna, vigilância furtiva e mira, escaneamento de imagens lidar e interferência de supressão de laser.No entanto, a potência/energia desses três tipos de lasers pequenos e leves é geralmente baixa e só pode ser usada para algumas aplicações de reconhecimento de curto alcance e não pode atender às necessidades de reconhecimento e contra-reconhecimento de longo alcance.Portanto, o foco do desenvolvimento é aumentar a potência/energia do laser.
Os lasers de estado sólido baseados em OPO têm boa qualidade de feixe e alta potência de pico, e suas vantagens na observação de longa distância, radar de imagem flash e danos a laser ainda são muito óbvios, e a energia de saída do laser e a frequência de repetição do laser devem ser aumentadas ainda mais .Para lasers Er:YAG com bombeamento de diodo, se a energia do pulso for aumentada enquanto a largura do pulso for ainda mais comprimida, ele se tornará a melhor alternativa aos lasers de estado sólido OPO.Tem vantagens em observação fechada de longa distância, radar de imagem flash e danos a laser.Grande potencial de aplicação.
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Horário de atualização: 02 de março de 2022
