1、CO2 激光器在激光测距机中的应用研究激光制造网整理：本文由介绍了二氧化碳激光器发展的情况，并通过它和 YAG 激光器的比较，总结它在激光测距中的优势，如对人眼安全，大气传输性好，能与热像仪兼容等。针对目前国内外二氧化碳激光测距机的应用情况，对如何利用现有技术，发展我国的 CO2 激光测距机提出了几点建议。目前，我军装备的激光测距机使用的大多是工作波长为 1.06m 的 Nd：YAG( 钇铝石榴石)激光器。伴随着它的大量装备和广泛使用， Nd：YAG 激光器在使用中的缺点逐渐引起人们重视。如容易损坏眼睛；在有雾、霾的气候条件下和战场烟尘中的传输性能差；与装备、应用的 812m 的长波段热像仪兼
2、容性差；转换效率低，难于使用外差探测等缺点。这些缺点不仅影响了测距机的性能，而且也影响了它们的训练和使用。二氧化碳激光器发展得比较早(1964 年) ，但它最早在军事上应用却是激光雷达。由于 CO2 激光器具有对人眼安全、对烟雾的穿透能力强等优点，所以在 70 年代中期，它在激光测距机上应用的可能性被认识到，而随着小型 CO2 激光器的研制和发展，这种必要性又变成了可能性。1CO2 激光器1.1CO2激光器的分类CO2 激光器属于最重要、应用最广泛的分子气体激光器，它的输出波长正好处于大气窗口(10.6m)。CO2 激光器是四能级系统。以 CO2、N2 、He 等混合气体为工作物质，其中 CO
3、2分子是激光物质，N2 的作用是提高激光上能级的激励效率，He 则有助于激光下能级的抽空。此外还有 CO、Xe、H2O 等辅助气体，它们的作用是为了改善激光的输出特性。CO 激光器种类繁多，目前常见的有流动型、横向激励型、高气压型、气动型、波导型、射频激励型等，而经常用作激光测距机的是横向激励大气压 CO2 激光器。横向激励大气压 CO2 激光器简称为 TEACO2 激光器，TE 表示横向放电激励(与激光输出方向垂直)，A 表示大气压(105Pa)。由于气压高，放电不稳定，通常采用脉冲工作方式。器件可以做得很大，也可以做得很小。输出能量与工作体积成比例，单位体积输出能量高达 1050J/l，总
4、能量和峰值功率分别高达 10000J 和 20TW(1TW=1012W)。1.2CO2 激光器的优点1.2.1 对人眼安全激光束对眼睛的损伤或损坏主要由输出功率和波长决定，高功率的任何波长的激光都会损伤眼睛，但波长不同，对眼睛的损伤阈值就不同，损伤部位也不同。研究发现，1.06m 波长的激光对眼睛的损伤阈值极低，极易损伤人员的眼睛，造成使用人员的心理压力，影响作战情绪与平时的训练，它的安全距离都在几千米上。而 CO2 激光器的10.6m 波长远离眼睛的透射波长，不损伤视网膜，对战术应用的中小功率 CO2 激光器而言，输出功率不可能大到损伤角膜，对眼睛的损伤阈值极高，约为 Nd：YAG1.06m
5、 激光器的 2000 倍，它的安全距离可以设计成零距离，即无损伤距离。因此可以认为中小功率的 CO2 激光器对眼睛安全，不会损伤人的眼睛。1.2.2 优良的大气传输性能激光光束在大气中传输时，由于大气中悬浮粒子的吸收和散射(少量的气体分子和水分子)，会使传输的激光能量衰减，衰减量由传输的波长决定。1.06m 的激光在大气中传输时受能见度的影响很大，当大气中悬浮粒子的浓度增加(或能见度降低) 时，1.06m 激光的衰减变大。在雾、霾天或有烟尘的战场环境中，传输性能很差。而对于 10.6m 波长的 CO2 激光，因为波长较长，悬浮粒子的散射和吸收很小，因此它在雾、霾天或战场烟尘中的传输性能要明显优
6、于 1.06m 波长的激光，在传输 10km 距离时，其传输性能约比 1.06m 波长激光的性能好 20dB。经过资料介绍，对红磷的烟雾与草地燃烧形成的热烟来讲，CO2 激光测距穿透能力大大优于 YAG 激光测距机。1.2.3 与 812m 波长的热像仪兼容性能好为了适应战场快速反应(搜索与跟踪、分辨与识别、定位与瞄准) 的需要，便携式、多功能的光学观、瞄、测及定位一体化的系统成为今后战场机动侦察必不可少的设备。最早见到的这种组合系统是在 80 年代初，英国 EMI 公司把红外热像仪上配置 YAG 激光测距机，但由于两者工作波段相差甚远，性能上不匹配，不能适应战场上复杂、多变的要求。而 CO2
7、 激光测距机工作波长为 10.6m，与 812m 红外热像仪系统处于同一波段内，由它们组成的观、瞄、测及定位一体化的系统是一种最佳的组合方案。它们可以共用光学系统、扫描系统、探测器和电源、致冷系统等，系统结构紧凑，体积、重量和成本大大减少。除共用部件外，它们在性能上也相容。激光测距机要求能探测到距离的概率为热像仪分辨距离的 80%，CO2 激光器可以很好满足上述相容性的要求。1.2.4 有较大的输出功率和能量转换效率 CO2 激光器的光电转换效率高达 1020%，比 Nd：YAG 测距机的效率要高 1 个数量级，其光束输出质量可以达到衍射极限，而 Nd：YAG 激光器的输出光束质量较差，因此尽
8、管输出光束的束散角都为毫弧度级，但利用光学系统来减小束散角，比 Nd：YAG 激光器要容易得多。1.2.5 易于进行外差探测外差探测的好处是由于本振激光束与信号光的相干作用而使得外差探测能将很弱的光信号从噪声中检测出来，信噪比很高，是探测微弱信号的常用方法。实验证明，外差探测的灵敏度是直接探测的 80 倍。但是外差探测对于本振激光束与信号激光束的准直要求和相干要求较高，实验证明，光波长越短，这个要求越高，CO2 激光器有很高的相干性和长的波长，所以它易于实现外差探测。2CO2 激光测距机的应用情况英国是发展 CO2 激光测距机最早的国家，早在 1975 年英国弗郎蒂公司和英国皇家信号和雷达研究
9、院就联合研制了世界上第一台 CO2 激光测距机，定名为 303 型，它采用了 TEACO2 激光器，测距范围 6 千米，测距精度 5 米。随后，该公司又研制了 707 型测距机，它使用 HgCdTe 探测器代替 PbSnTe 探测器，作用距离增大到 10 千米，而 307 改进型，发射功率高达 600 千瓦，作用距离达到 20 千米，于 1980 年通过英国国防部的鉴定并定型投产。另外，该公司还生产了 311 型手持式 CO2 激光测距机与 305 型连续波外差 CO2 激光测距机。英国马可尼公司研制了战车使用的 CO2 激光测距机和将 CO2 激光测距机与热成像组合在一起的系统。GEC 公司
10、研制成坦克用的封离式 CO2 激光测距机。另外，维克斯 MK7 与“挑战者 2”主战坦克也使用了 10.6m 的激光测距机。美国是最早进行军用 CO2 激光器研究及应用的国家。它的主战坦克 M1A1 与 M1A2 装有测距在 20008000 米的二氧化碳激光测距机，和其它先进的火控系统配合，使得 M1A1 坦克在海湾战争中击毁了上千辆的 T-72 坦克和其它苏制坦克，首发命中距离一般达到 20003650 米，在 3000 米射程上击毁静止目标是极平常的事，在海湾战争中 M1A1 坦克平均首发命中率为 80%，而且能透过烟幕、大火、树木或其它伪装探测 2600米距离上的目标，识别 1500
11、米距离上的目标。雷西昂公司为陆军研制的 CO2 激光测距机，距离 5 千米，重频 5 次/秒，1992 年为陆军与海军研制的 “复仇者”CO2 激光测距机，测距 10 千米，精度 10 米。另外，轻型高生存力试验车火控系统的激光测距机，也采用该公司的流动式小型 TEACO2 激光器，输出能量为 5mJ，脉冲重复频率为 5Hz，使用增益补偿的碲镉汞(HgCdTe)探测器，用液氮致冷。测距机的发射光学系统和接收光学系统合一，采用 10.16cm 的同轴折射光学系统。测距 5000m，测距精度10m。除了英、美以外，还有不少国家也在致力于发展 CO2 激光测距机。德国利用美国休斯公司的 CO2 激光
12、器制成了测距机，装备豹- 坦克。韩国的 88 式主战坦克 K-1，最初生产的车辆装有 YAG 激光测距机，而第二批生产型的车辆就拟装德克萨斯(Texas)仪器公司生产的装有 CO2 激光测距机的炮长用坦克热成像主瞄准镜(GPTTS)。我国从 80 年代开始进行 CO2 激光测距机的研究，单位有电子部 11 所和 27 所、北方工业总公司 209 所，主要是 TEAC2 激光测距机，测距可以达到 10 千米。3 目前存在的问题3.1 需要低温致冷为了提高 CO2 激光测距机探测器的灵敏度，需要致冷。目前，大多使用焦-汤致冷和斯特林致冷，因而增加了成本与体积、重量。用于坦克或其它战车的 CO2 激
13、光测距机，可以利用车体电源致冷，或是与红外系统共用致冷装置。而对于依靠电池供电的手持式激光测距机而言，要在测距之前的极短时间内用电池致冷探测器，有很大困难。这也是目前影响 CO2 激光测距机研制与装备的主要因素。3.2 目标对 10.6m 的激光反射率低目标对 10.6m 波长的激光反射率比 1.06m 和 1.54m 波长激光反射率低，如表1 所示。另外，大气湿度和空气中 CO2 的含量也对 CO2 激光传输性能也有一定的影响。4 结语尽管 CO2 激光器用在激光测距机中尚有一些缺点，而且目前还有同样对人眼安全的 1.54m 波长激光测距机可供选用，但相对而言，CO2 激光测距机仍有着不可替
14、代的优势，如穿透战场烟雾的能力，与红外系统有很好的兼容性，能够进行外差探测等。为了充分发挥它的技术潜力以适应军事要求，还应该采用各种技术措施，增加功能、提高性能，这是 CO2 激光测距机发展的总趋势。(1)加强致冷方面的研究。研制低成本、重量轻、体积小、致冷时间短的致冷装置，这样就可以减小 CO2 激光测距机的成本、重量和体积，并可以在手持式激光测距机中得到应用。(2)加强非制冷探测器的研究。随着热释电等新型非制冷型探测器的出现，使得摆脱沉重的制冷设备成为可能，应加强这方面的研究。(3)对 CO2 激光测距机与红外系统组合技术进行研究。激光测距机与红外系统的组合化，为全天候、复杂地貌和对待隐身飞机舰船侦察提供了重要的技术手段，是炮兵前沿侦察装备发展的必然趋势。它的关键技术在于共用探测器与致冷器的研究，各个共用部分及组成部分之间的光、机、电接口，组合系统电磁兼容问题，CO2 激光测距机与热成像两者精密合轴技术等。(4)发展外差探测技术。前面已经提到，外差探测技术可以增加测距距离，提取速度的信息。但由于外差接收机比较复杂而且技术尚不成熟，所以应加强外差探测技术研究，使激光测距机能够尽快地利用外差探测技术。(5)进行模块化结构的研究。CO2 激光测距机应该借鉴热像仪的模块结构，逐步采用功能模块，实现组件化。这样就能降低成本，实现小型化、系列化。
