短波長赤外レーザーの発生メカニズムの違いにより、短波長赤外レーザーには半導体レーザー、ファイバーレーザー、固体レーザーの3種類があります。このうち固体レーザーは、光非線形波長変換を利用した固体レーザーと、レーザー加工材料から直接短波長の赤外レーザーを生成する固体レーザーに分けられます。
半導体レーザーはレーザー加工材料として半導体材料を使用しており、出力レーザー波長は半導体材料のバンドギャップによって決まります。材料科学の発展に伴い、エネルギーバンドエンジニアリングを通じて、半導体材料のエネルギーバンドをより広範囲のレーザー波長に合わせて調整できるようになりました。したがって、半導体レーザーを使用して複数の短波赤外レーザー波長を取得できます。
短波長赤外半導体レーザーの代表的なレーザー加工材料は蛍光体材料です。例えば、開口径95μmのリン化インジウム半導体レーザーの出力レーザー波長は1.55μmと1.625μmで、出力は1.5Wに達します。
ファイバーレーザーは、レーザー媒質として希土類添加ガラスファイバーを使用し、ポンプ光源として半導体レーザーを使用します。低いしきい値、高い変換効率、良好な出力ビーム品質、シンプルな構造、高い信頼性などの優れた特性を備えています。また、レーザー共振器内に回折格子などの選択的な光学素子を追加することで、希土類イオン放射の広いスペクトルを利用して波長可変ファイバーレーザーを形成することもできます。ファイバーレーザーはレーザー技術の発展において重要な方向性となっています。
1.固体レーザー
短波長赤外レーザーを直接生成できる固体レーザー利得媒体は、主に Er:YAG 結晶とセラミック、および Er ドープ ガラスです。Er:YAG 結晶とセラミックスをベースとした固体レーザーは、近年の短波長赤外レーザー研究のホットスポットである 1.645μm 短波長赤外レーザーを直接出力できます [3-5]。現在、電気光学または音響光学Qスイッチを用いたEr:YAGレーザーのパルスエネルギーは数mJから数十mJ、パルス幅は数十ns、繰り返し周波数は数十から数千Hzに達しています。1.532μmの半導体レーザーをポンプ光源として使用すると、レーザー能動偵察やレーザー対策の分野で大きな利点があり、特に一般的なレーザー警報装置に対するステルス効果が期待できます。
Erガラスレーザーはコンパクトな構造、低コスト、軽量であり、Qスイッチ動作を実現できます。短波長赤外線レーザーのアクティブ検出に最適な光源です。ただし、Er ガラス材料には 4 つの欠点があるため、次のとおりです。まず、吸収スペクトルの中心波長が 940 nm または 976 nm であるため、ランプ励起の達成が困難です。第二に、Er ガラス材料の準備が難しく、大きなサイズを作るのは簡単ではありません。第三に、Er ガラス この材料は熱特性が悪く、連続動作はおろか、長時間の繰り返し周波数動作を達成することも容易ではありません。第四に、適切な Q スイッチ材料がありません。Er ガラスをベースとした短波長赤外レーザーの研究は常に注目を集めてきましたが、上記の 4 つの理由により、製品化されていません。1990 年までは、波長 940 nm および 980 nm の半導体レーザーバーの出現と、Co2+:MgAl2O4 (コバルトドープアルミン酸マグネシウム) などの飽和吸収材料の出現により、ポンプ光源と Q スイッチングの 2 つの主要なボトルネックが発生していました。壊れていました。ガラスレーザーの研究は急速に発展しました。特に近年、半導体ポンプ源、Erガラス、共振空洞を統合した我が国の小型Erガラスレーザーモジュールは重さが10g以下で、50kWのピークパワーモジュールの少量生産能力を備えています。ただし、Er ガラス材料の熱性能が低いため、レーザー モジュールの繰り返し周波数は依然として比較的低いです。50 kW モジュールのレーザー周波数はわずか 5 Hz、20 kW モジュールの最大レーザー周波数は 10 Hz であり、低周波アプリケーションでのみ使用できます。
Nd:YAG パルスレーザーによる 1.064 μm レーザー出力のピーク出力は最大メガワットです。このような強いコヒーレント光が特殊な材料を通過すると、その光子は材料の分子上で非弾性的に散乱されます。つまり、光子は吸収され、比較的低周波の光子が生成されます。この周波数変換効果を実現できる物質には 2 種類あります。1 つは KTP、LiNbO3 などの非線形結晶です。もう 1 つは H2 などの高圧ガスです。それらを光共振空洞内に配置して、光パラメトリック発振器 (OPO) を形成します。
高圧ガスをベースとした OPO は、通常、誘導ラマン散乱光パラメトリック発振器を指します。ポンプ光は部分的に吸収され、低周波光波を生成します。成熟したラマン レーザーは、1.064 μm レーザーを使用して高圧ガス H2 をポンプし、1.54 μm の短波長赤外線レーザーを取得します。
写真1
短波赤外線 GV システムの典型的な用途は、夜間の長距離画像化です。レーザー照明器は、高いピーク出力を備えた短パルス短波長赤外線レーザーである必要があり、その繰り返し周波数はストロボ カメラのフレーム周波数と一致している必要があります。国内外の短波赤外レーザーの現状によれば、ダイオード励起 Er:YAG レーザーと OPO ベースの 1.57 μm 固体レーザーが最適な選択肢となります。小型 Er ガラスレーザーの繰り返し周波数とピークパワーはまだ改善の必要があります。光電対偵察における短波長赤外線レーザーの応用
短波赤外線レーザー対偵察の本質は、短波赤外線帯域で動作する敵の光電子偵察装置に短波赤外線レーザー光線を照射して、誤った目標情報を取得したり、正常に動作できなくなったりすることです。検出器が破損しています。短波赤外線レーザーの代表的な対偵察方法には、人間の目に安全なレーザー距離計への距離欺瞞干渉と、短波赤外線カメラへの制圧ダメージの 2 つがあります。
1.1 人間の目の安全性レーザー距離計に対する距離欺瞞の干渉
パルスレーザー距離計は、発射点と目標物の間を往復するレーザーパルスの時間間隔で目標物との距離を換算します。ターゲットの反射エコー信号が発射点に到達する前にレンジファインダー検出器が他のレーザーパルスを受信すると、タイミングが停止し、換算された距離はターゲットの実際の距離ではなく、ターゲットの実際の距離よりも小さくなります。距離計の距離をごまかすという目的を達成する偽の距離。アイセーフレーザー距離計の場合、同じ波長の短波長赤外線パルスレーザーを使用して距離欺瞞干渉を実装できます。
距離計の距離欺瞞干渉を実現するレーザーは、レーザーに対するターゲットの乱反射をシミュレートするため、レーザーのピークパワーは非常に低くなりますが、次の 2 つの条件を満たす必要があります。
1) レーザー波長は、干渉を受ける距離計の動作波長と同じでなければなりません。距離計検出器の前に干渉フィルターが設置されており、帯域幅は非常に狭いです。使用波長以外の波長のレーザーは、検出器の感光面に到達できません。波長が似ている 1.54 μm と 1.57 μm のレーザーであっても、互いに干渉することはありません。
2) レーザーの繰り返し周波数は十分に高くなければなりません。距離計検出器は、距離が測定される場合にのみ、感光面に到達するレーザー信号に応答します。効果的な干渉を実現するには、干渉パルスが少なくとも距離計のウェーブ ゲート 2 ～ 3 パルスに押し込まれる必要があります。現在達成できるレンジゲートはμsのオーダーであるため、干渉するレーザーは高い繰り返し周波数を持っている必要があります。ターゲット距離 3 km を例にとると、レーザーが 1 往復するのに必要な時間は 20 μs です。少なくとも 2 パルスを入力する場合、レーザーの繰り返し周波数は 50 kHz に達する必要があります。レーザー距離計の最小距離が 300 m の場合、妨害波の繰り返し周波数は 500 kHz より低くすることはできません。このような高い繰り返し率を実現できるのは、半導体レーザーとファイバーレーザーだけです。
1.2 短波赤外線カメラへの干渉と損傷の抑制
短波赤外線イメージング システムの中核コンポーネントである短波赤外線カメラは、その InGaAs 焦点面検出器の応答光パワーのダイナミック レンジが限られています。入射光パワーがダイナミックレンジの上限を超えると飽和が発生し、検出器は正常なイメージングを行うことができなくなります。より高い出力レーザーは検出器に永久的な損傷を与えます。
連続低ピークパワーの半導体レーザーや高い繰り返し周波数のファイバーレーザーは、短波赤外線カメラの干渉を継続的に抑制するのに適しています。短波赤外線カメラにレーザーを連続照射します。光学レンズの高倍率集光効果により、InGaAs焦点面上のレーザー拡散スポットが到達する領域は著しく飽和しており、正常に画像化することができません。レーザー照射を一定期間停止した後にのみ、結像性能は徐々に正常に戻ります。
可視および近赤外帯域におけるレーザーアクティブ対策製品の長年の研究開発と複数のフィールドダメージ効果試験の結果によると、テレビに不可逆的なダメージを与えることができるのは、ピークパワーがメガワット以上の短パルスレーザーだけです。数キロ離れた場所にあるカメラ。ダメージ。ダメージ効果を達成できるかどうかは、レーザーのピークパワーが鍵となります。ピーク電力が検出器の損傷しきい値よりも高い限り、単一のパルスが検出器に損傷を与える可能性があります。レーザーの設計の難しさ、放熱、消費電力の観点から、レーザーの繰り返し周波数は必ずしもカメラのフレームレート以上である必要はなく、10 Hz ～ 20 Hz であれば実際の戦闘用途に対応できます。当然、短波赤外線カメラも例外ではありません。
InGaAs 焦点面検出器には、InGaAs/InP 電子移動光電陰極に基づく電子衝撃 CCD と、後に開発された CMOS が含まれます。飽和および損傷しきい値は Si ベースの CCD/CMOS と同程度ですが、InGaAs/InP ベースの検出器はまだ得られていません。CCD/COMSの飽和および損傷しきい値データ。
国内外の短波赤外レーザーの現状によれば、CCD/COMS へのレーザー損傷には依然として OPO ベースの繰り返し周波数 1.57 μm 固体レーザーが最適です。高い大気透過性能と高ピーク出力の短パルスレーザー 短波赤外線カメラを備えた長距離オプトエレクトロニクスシステムのソフト殺傷力は、光スポットカバレッジとシングルパルス有効特性から明らかです。
2 .結論
波長が 1.1 μm ～ 1.7 μm の短波赤外線レーザーは、大気透過率が高く、霧、雨、雪、煙、砂、塵を透過する強力な能力を持っています。従来の低照度暗視装置では見えません。1.4 μm ～ 1.6 μm 帯域のレーザーは人間の目には安全であり、この範囲にピーク応答波長を持つ成熟した検出器などの独特の特徴があり、レーザー軍事用途の重要な開発方向となっています。
本稿では、蛍光体半導体レーザー、エルビドープファイバーレーザー、エルビドープ固体レーザー、OPOベース固体レーザーを含む4つの代表的な短波赤外レーザーの技術的特徴と現状を分析し、その用途をまとめます。光電能動偵察におけるこれらの短波赤外線レーザーの使用。対偵察における典型的な用途。
1) 連続かつ低ピークパワーの高繰り返し周波数蛍光体半導体レーザーやエルビドープファイバーレーザーは、主に長距離ステルス監視や夜間照準、敵の短波赤外線カメラへの干渉抑制などの補助照明に使用されます。高繰り返しショートパルス蛍光体半導体レーザーやエルビドープファイバーレーザーも、マルチパルスシステムのアイセーフティ測距、レーザースキャニングイメージングレーダー、アイセーフティレーザー距離計の距離欺瞞干渉に理想的な光源です。
2) OPO ベースの固体レーザーは、繰り返し率は低いものの、ピーク出力がメガワット、さらには 10 メガワットにも達するため、フラッシュ イメージング レーダー、夜間の長距離レーザー ゲート観測、短波赤外線レーザーの損傷、および従来のモード リモート人間の目 安全レーザー測距
3) 小型 Er ガラスレーザーは、近年最も急速に成長している短波長赤外レーザーの 1 つです。現在の出力と繰り返し周波数レベルは、小型の目の安全性レーザー距離計で使用できます。やがて、ピーク出力がメガワットレベルに達すると、フラッシュイメージングレーダー、レーザーゲート観測、短波赤外線カメラへのレーザー損傷などに使用できるようになります。
4) レーザー警告装置を隠すダイオード励起 Er:YAG レーザーは、高出力短波長赤外レーザーの主流の開発方向です。フラッシュライダー、夜間の長距離レーザーゲート観測、レーザーダメージなどに大きな応用可能性を秘めています。
近年、兵器システムではオプトエレクトロニクスシステムの統合に対する要求がますます高まっているため、レーザー装置の小型軽量化はレーザー装置の開発において避けられないトレンドとなっています。小型、軽量、低消費電力の半導体レーザー、ファイバーレーザー、小型レーザー、Erガラスレーザーが短波長赤外レーザーの開発の主流となっています。特に、良好なビーム品質を備えたファイバーレーザーは、夜間の補助照明、ステルス監視と照準、スキャニングイメージングライダー、およびレーザー抑制干渉において大きな応用可能性を秘めています。しかし、これら 3 種類の小型軽量レーザーの出力/エネルギーは一般に低く、一部の短距離偵察用途にしか使用できず、長距離偵察や対偵察のニーズを満たすことができません。したがって、開発の焦点は、レーザー出力/エネルギーを増加させることです。
OPO ベースの固体レーザーは良好なビーム品質と高いピーク出力を備えており、長距離ゲート観察、フラッシュ イメージング レーダー、レーザー損傷における利点は依然として非常に明白であり、レーザー出力エネルギーとレーザー繰り返し周波数はさらに増加する必要があります。 。ダイオード励起 Er:YAG レーザーの場合、パルス幅がさらに圧縮されながらパルスエネルギーが増加すると、OPO 固体レーザーの最良の代替品となるでしょう。長距離のゲート観測、フラッシュイメージングレーダー、レーザーダメージに利点があります。大きな応用可能性。
製品の詳細については、当社のウェブサイトをご覧ください。
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更新日: 2022 年 3 月 2 日
