De acuerdo con el mecanismo de generación diferente de láseres infrarrojos de onda corta, existen tres tipos de láseres infrarrojos de onda corta, a saber, láseres semiconductores, láseres de fibra y láseres de estado sólido.Entre ellos, los láseres de estado sólido se pueden dividir en láseres de estado sólido basados en conversión de longitud de onda no lineal óptica y láseres de estado sólido que generan directamente láseres infrarrojos de onda corta a partir de materiales de trabajo láser.
Los láseres semiconductores utilizan materiales semiconductores como materiales de trabajo láser, y la longitud de onda del láser de salida está determinada por la brecha de banda de los materiales semiconductores.Con el desarrollo de la ciencia de los materiales, las bandas de energía de los materiales semiconductores se pueden adaptar a una gama más amplia de longitudes de onda láser a través de la ingeniería de bandas de energía.Por lo tanto, se pueden obtener múltiples longitudes de onda de láser infrarrojo de onda corta con láseres semiconductores.
El material de trabajo típico del láser semiconductor infrarrojo de onda corta es el material de fósforo.Por ejemplo, un láser semiconductor de fosfuro de indio con un tamaño de apertura de 95 μm tiene longitudes de onda de láser de salida de 1,55 μm y 1,625 μm, y la potencia alcanza los 1,5 W.
El láser de fibra utiliza fibra de vidrio dopada con tierras raras como medio láser y láser semiconductor como fuente de bombeo.Tiene excelentes características como umbral bajo, alta eficiencia de conversión, buena calidad de haz de salida, estructura simple y alta confiabilidad.También puede aprovechar el amplio espectro de radiación de iones de tierras raras para formar un láser de fibra sintonizable mediante la adición de elementos ópticos selectivos, como rejillas en el resonador láser.Los láseres de fibra se han convertido en una dirección importante en el desarrollo de la tecnología láser.
1. Láser de estado sólido
Los medios de ganancia de láser de estado sólido que pueden generar directamente láseres infrarrojos de onda corta son principalmente Er: cristales y cerámicas YAG, y vidrio dopado con Er.El láser de estado sólido basado en cerámica y cristal Er:YAG puede emitir directamente un láser infrarrojo de onda corta de 1,645 μm, que es un punto caliente en la investigación del láser infrarrojo de onda corta en los últimos años [3-5].En la actualidad, la energía de pulso de los láseres Er: YAG que utilizan conmutación Q electroóptica o acustoóptica ha alcanzado unas pocas a decenas de mJ, un ancho de pulso de decenas de ns y una frecuencia de repetición de decenas a miles de Hz.Si se utiliza un láser semiconductor de 1,532 μm como fuente de bombeo, tendrá grandes ventajas en el campo del reconocimiento activo de láser y las contramedidas láser, especialmente su efecto sigiloso en los dispositivos de advertencia láser típicos.
El láser de vidrio Er tiene una estructura compacta, bajo costo, peso ligero y puede realizar una operación Q-switched.Es la fuente de luz preferida para la detección activa de láser infrarrojo de onda corta.Sin embargo, debido a las cuatro deficiencias de los materiales de vidrio Er: en primer lugar, la longitud de onda central del espectro de absorción es de 940 nm o 976 nm, lo que dificulta el bombeo de la lámpara;En segundo lugar, la preparación de materiales de vidrio Er es difícil y no es fácil fabricar tamaños grandes;En tercer lugar, el vidrio Er. El material tiene propiedades térmicas deficientes y no es fácil lograr una operación de frecuencia repetitiva durante mucho tiempo, y mucho menos una operación continua;cuarto, no hay material de conmutación Q adecuado.Aunque la investigación del láser infrarrojo de onda corta basado en vidrio Er siempre ha atraído la atención de la gente, debido a las cuatro razones anteriores, no ha salido ningún producto.Hasta 1990, con la aparición de barras láser semiconductoras con longitudes de onda de 940 nm y 980 nm, y la aparición de materiales de absorción saturados como Co2+:MgAl2O4 (aluminato de magnesio dopado con cobalto), los dos cuellos de botella principales de la fuente de bombeo y la conmutación Q estaban rotos.La investigación sobre los láseres de vidrio se ha desarrollado rápidamente.Especialmente en los últimos años, el módulo láser de vidrio Er en miniatura de mi país, que integra una fuente de bomba de semiconductores, vidrio Er y cavidad resonante, no pesa más de 10 g y tiene una capacidad de producción de lotes pequeños de módulos de potencia máxima de 50 kW.Sin embargo, debido al bajo rendimiento térmico del material de vidrio Er, la frecuencia de repetición del módulo láser sigue siendo relativamente baja.La frecuencia del láser del módulo de 50 kW es de solo 5 Hz, y la frecuencia máxima del láser del módulo de 20 kW es de 10 Hz, que solo se puede usar en aplicaciones de baja frecuencia.
La salida de láser de 1,064 μm del láser pulsado Nd:YAG tiene una potencia máxima de hasta megavatios.Cuando una luz coherente tan intensa atraviesa algunos materiales especiales, sus fotones se dispersan de forma inelástica sobre las moléculas del material, es decir, los fotones se absorben y producen fotones de frecuencia relativamente baja.Hay dos tipos de sustancias que pueden lograr este efecto de conversión de frecuencia: uno son los cristales no lineales, como KTP, LiNbO3, etc.;el otro es gas a alta presión como el H2.Colóquelos en la cavidad resonante óptica para formar un oscilador paramétrico óptico (OPO).
OPO basado en gas a alta presión generalmente se refiere a un oscilador paramétrico de luz de dispersión Raman estimulada.La luz de la bomba se absorbe parcialmente y genera una onda de luz de baja frecuencia.El láser Raman maduro utiliza un láser de 1,064 μm para bombear gas H2 a alta presión para obtener un láser infrarrojo de onda corta de 1,54 μm.
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La aplicación típica del sistema GV de infrarrojos de onda corta es la obtención de imágenes nocturnas a larga distancia.El iluminador láser debe ser un láser infrarrojo de onda corta y pulso corto con un pico de potencia alto, y su frecuencia de repetición debe ser consistente con la frecuencia de cuadro de la cámara estroboscópica.De acuerdo con el estado actual de los láseres infrarrojos de onda corta en el país y en el extranjero, los láseres Er: YAG bombeados por diodos y los láseres de estado sólido de 1,57 μm basados en OPO son las mejores opciones.La frecuencia de repetición y la potencia máxima del láser de vidrio Er en miniatura aún deben mejorarse.3.Aplicación de láser infrarrojo de onda corta en anti-reconocimiento fotoeléctrico
La esencia del anti-reconocimiento láser infrarrojo de onda corta es irradiar el equipo de reconocimiento optoelectrónico del enemigo que trabaja en la banda infrarroja de onda corta con rayos láser infrarrojos de onda corta, para que pueda obtener información incorrecta del objetivo o no pueda funcionar normalmente, o incluso el detector está dañado.Hay dos métodos típicos de antirreconocimiento con láser infrarrojo de onda corta, a saber, la interferencia de engaño de distancia en el telémetro láser seguro para el ojo humano y el daño de supresión en la cámara infrarroja de onda corta.
1.1 Interferencia de engaño de distancia al telémetro láser de seguridad del ojo humano
El telémetro de láser pulsado convierte la distancia entre el objetivo y el objetivo por el intervalo de tiempo del pulso láser que va y viene entre el punto de lanzamiento y el objetivo.Si el detector de telémetro recibe otros pulsos de láser antes de que la señal de eco reflejada del objetivo alcance el punto de lanzamiento, dejará de cronometrar y la distancia convertida no será la distancia real del objetivo, sino menor que la distancia real del objetivo.Falsa distancia, que logra el propósito de engañar a la distancia del telémetro.Para los telémetros láser seguros para los ojos, se pueden usar láseres de pulso infrarrojo de onda corta de la misma longitud de onda para implementar la interferencia de engaño de distancia.
El láser que implementa la interferencia de engaño de distancia del telémetro simula el reflejo difuso del objetivo al láser, por lo que la potencia máxima del láser es muy baja, pero se deben cumplir las dos condiciones siguientes:
1) La longitud de onda del láser debe ser la misma que la longitud de onda de trabajo del telémetro interferido.Se instala un filtro de interferencia frente al detector de telémetro y el ancho de banda es muy estrecho.Los láseres con longitudes de onda distintas a la longitud de onda de trabajo no pueden alcanzar la superficie fotosensible del detector.Incluso los láseres de 1,54 μm y 1,57 μm con longitudes de onda similares no pueden interferir entre sí.
2) La frecuencia de repetición del láser debe ser lo suficientemente alta.El detector de telémetro responde a la señal láser que llega a su superficie fotosensible solo cuando se mide el alcance.Para lograr una interferencia efectiva, el pulso de interferencia debe introducirse al menos en la puerta de onda del telémetro de 2 a 3 pulsos.La puerta de rango que se puede lograr en la actualidad es del orden de μs, por lo que el láser de interferencia debe tener una alta frecuencia de repetición.Tomando como ejemplo una distancia objetivo de 3 km, el tiempo requerido por el láser para ir y venir una vez es de 20 μs.Si se ingresan al menos 2 pulsos, la frecuencia de repetición del láser debe alcanzar los 50 kHz.Si el alcance mínimo del telémetro láser es de 300 m, la frecuencia de repetición del bloqueador no puede ser inferior a 500 kHz.Solo los láseres de semiconductores y los láseres de fibra pueden lograr una tasa de repetición tan alta.
1.2 Interferencia supresiva y daño a las cámaras infrarrojas de onda corta
Como componente central del sistema de imágenes infrarrojas de onda corta, la cámara infrarroja de onda corta tiene un rango dinámico limitado de potencia óptica de respuesta de su detector de plano focal InGaAs.Si la potencia óptica incidente supera el límite superior del rango dinámico, se producirá una saturación y el detector no podrá generar imágenes normales.Mayor potencia El láser causará daños permanentes al detector.
Los láseres de semiconductores de potencia pico continuos y bajos y los láseres de fibra con alta frecuencia de repetición son adecuados para la interferencia de supresión continua de cámaras infrarrojas de onda corta.Irradie continuamente la cámara infrarroja de onda corta con un láser.Debido al efecto de condensación de gran aumento de la lente óptica, el área alcanzada por el punto difundido por láser en el plano focal de InGaAs está muy saturada y, por lo tanto, no se puede obtener una imagen normalmente.Solo después de que la irradiación láser se detenga por un período de tiempo, el rendimiento de la imagen puede volver gradualmente a la normalidad.
De acuerdo con los resultados de muchos años de investigación y desarrollo de productos de contramedidas activas de láser en las bandas visible e infrarroja cercana y pruebas de efectividad de daño de campo múltiple, solo los láseres de pulso corto con una potencia máxima de megavatios y más pueden causar daños irreversibles a la TV. cámaras a una distancia de kilómetros de distancia.daño.Si se puede lograr el efecto de daño, la potencia máxima del láser es la clave.Siempre que la potencia máxima sea superior al umbral de daño del detector, un solo pulso puede dañar el detector.Desde la perspectiva de la dificultad del diseño del láser, la disipación de calor y el consumo de energía, la frecuencia de repetición del láser no necesariamente tiene que alcanzar la velocidad de fotogramas de la cámara o incluso más, y 10 Hz a 20 Hz pueden cumplir con las aplicaciones de combate reales.Naturalmente, las cámaras infrarrojas de onda corta no son una excepción.
Los detectores de plano focal de InGaAs incluyen CCD de bombardeo de electrones basados en fotocátodos de migración de electrones de InGaAs/InP y CMOS desarrollados posteriormente.Sus umbrales de saturación y daño están en el mismo orden de magnitud que los CCD/CMOS basados en Si, pero aún no se han obtenido detectores basados en InGaAs/InP.Datos de umbral de saturación y daño de CCD/COMS.
De acuerdo con el estado actual de los láseres infrarrojos de onda corta en el país y en el extranjero, el láser de estado sólido de frecuencia repetitiva de 1,57 μm basado en OPO sigue siendo la mejor opción para daños por láser en CCD/COMS.Su alto rendimiento de penetración atmosférica y láser de pulso corto de alta potencia pico La cobertura de punto de luz y las características efectivas de pulso único son obvias para el poder de destrucción suave del sistema optoelectrónico de larga distancia equipado con cámaras infrarrojas de onda corta.
2 .Conclusión
Los láseres infrarrojos de onda corta con longitudes de onda entre 1,1 μm y 1,7 μm tienen una alta transmitancia atmosférica y una gran capacidad para penetrar la neblina, la lluvia, la nieve, el humo, la arena y el polvo.Es invisible para los equipos tradicionales de visión nocturna con poca luz.El láser en la banda de 1,4 μm a 1,6 μm es seguro para el ojo humano y tiene características distintivas, como un detector maduro con una longitud de onda de respuesta máxima en este rango, y se ha convertido en una dirección de desarrollo importante para las aplicaciones militares de láser.
Este documento analiza las características técnicas y el status quo de cuatro láseres infrarrojos de onda corta típicos, incluidos los láseres semiconductores de fósforo, los láseres de fibra dopados con Er, los láseres de estado sólido dopados con Er y los láseres de estado sólido basados en OPO, y resume el uso. de estos láseres infrarrojos de onda corta en reconocimiento activo fotoeléctrico.Aplicaciones típicas en anti-reconocimiento.
1) Los láseres de semiconductores de fósforo de alta frecuencia de repetición y potencia pico continua y baja y los láseres de fibra dopada con Er se utilizan principalmente para la iluminación auxiliar para la vigilancia sigilosa a larga distancia y para apuntar de noche y suprimir la interferencia con las cámaras infrarrojas de onda corta enemigas.Los láseres de semiconductores de fósforo de pulso corto y alta repetición y los láseres de fibra dopada con Er también son fuentes de luz ideales para el alcance de seguridad ocular del sistema de pulsos múltiples, el radar de imágenes de escaneo láser y la interferencia de engaño de distancia del telémetro láser de seguridad ocular.
2) Los láseres de estado sólido basados en OPO con una tasa de repetición baja pero con una potencia máxima de megavatios o incluso diez megavatios pueden usarse ampliamente en radares de imágenes de destello, observación nocturna de puertas láser de larga distancia, daños por láser infrarrojo de onda corta y modo tradicional ojos humanos remotos Rango de láser de seguridad.
3) El láser de vidrio Er en miniatura es una de las direcciones de láseres infrarrojos de onda corta de más rápido crecimiento en los últimos años.Los niveles actuales de potencia y frecuencia de repetición se pueden utilizar en telémetros láser de seguridad ocular en miniatura.Con el tiempo, una vez que la potencia máxima alcanza el nivel de megavatios, se puede usar para el radar de imágenes de flash, la observación de activación de láser y el daño del láser a las cámaras infrarrojas de onda corta.
4) El láser Er:YAG bombeado por diodos que oculta el dispositivo de advertencia láser es la dirección de desarrollo principal de los láseres infrarrojos de onda corta de alta potencia.Tiene un gran potencial de aplicación en flash lidar, observación de compuerta láser de larga distancia por la noche y daños por láser.
En los últimos años, dado que los sistemas de armas tienen requisitos cada vez más altos para la integración de sistemas optoelectrónicos, los equipos láser pequeños y livianos se han convertido en una tendencia inevitable en el desarrollo de equipos láser.Los láseres de semiconductores, láseres de fibra y láseres en miniatura con tamaño pequeño, peso ligero y bajo consumo de energía Los láseres de vidrio Er se han convertido en la dirección principal del desarrollo de láseres infrarrojos de onda corta.En particular, los láseres de fibra con buena calidad de haz tienen un gran potencial de aplicación en iluminación auxiliar nocturna, vigilancia y puntería sigilosa, exploración de imágenes lidar e interferencia de supresión de láser.Sin embargo, la potencia/energía de estos tres tipos de láseres pequeños y livianos es generalmente baja y solo se puede usar para algunas aplicaciones de reconocimiento de corto alcance y no puede satisfacer las necesidades de reconocimiento y contrarreconocimiento de largo alcance.Por lo tanto, el objetivo del desarrollo es aumentar la potencia/energía del láser.
Los láseres de estado sólido basados en OPO tienen una buena calidad de haz y una potencia máxima alta, y sus ventajas en la observación cerrada de larga distancia, el radar de imágenes de flash y el daño del láser siguen siendo muy evidentes, y la energía de salida del láser y la frecuencia de repetición del láser deben aumentar aún más. .Para los láseres Er:YAG bombeados por diodos, si se aumenta la energía del pulso mientras se comprime aún más el ancho del pulso, se convertirá en la mejor alternativa a los láseres de estado sólido OPO.Tiene ventajas en la observación cerrada de larga distancia, el radar de imágenes de destello y el daño por láser.Gran potencial de aplicación.
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Hora de actualización: 02-mar-2022
