高平均功率固体激光及其大气传输

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低能激光武器讲解

低能激光武器及高能激光武器低能激光武器即激光干扰与致盲武器，是重要的光电对抗装备。

它仅需采用中、小功率器件，技术较简单，现已开始装备部队。

这种武器能干扰、致盲甚至破坏导引头、跟踪器、目标指示器、测距仪、观瞄设备等，并可损伤人眼，在战场上起到扰乱、封锁、阻遏或压制作用。

目前各国均在积极发展此类激光器，用于保护高价值飞机，有的已装备部队。

当用于反卫星时，能干扰、破坏卫星上的电子器件。

与高能激光武器相比，低能激光武器具备成本低廉和容易使用的特点。

目前激光武器的主要任务是摧毁敌人的精密传感器。

随着科技的进步，传感器也变得越来越精密和灵敏，但是越是精密和灵敏的传感器越是容易被低能激光武器所摧毁。

在过去的十年中，美国军方一直习惯性的认为美军需要的是能够立即融化导弹外壳的高能量激光武器，但是美国陆军和空军通过研究发现低能量激光武器也是一种非常有效的野战武器。

在近些年的研究中，美国军方发现低能量激光武器能够有效的引爆来袭导弹的战斗部和安放在路边的路边炸弹。

对此，美国国防部也已经进行了大量的试验以验证低能激光武器的作战效能。

为了能够有效降低美军的伤亡，目前美国陆军正在为所装备的悍马越野车安装低能激光武器，以试图通过低能激光武器引爆隐藏在路边的路边炸弹，美国空军也正在为C-130“大力神”运输机安装类似的低能激光武器。

在作战效果方面，美国陆军和空军目前正在研发新型低能激光武器可以与高能激光武器匹敌，因为新型低能激光武器同样能够摧毁飞行中的火箭弹、导弹和炮弹。

同时，美国环球战略网在文中指出，目前美国正在全力推出这方面的研发工作，用不了多久美军将会大量装备和使用低能激光武器和微波武器。

目前技术成熟并成功应用的至少有两种：一种是俄罗斯的地基反卫星激光武器；二是英国在军舰上装备的舰载激光致盲武器。

早在1982年英阿马岛之战时，英军就使用激光眩目致盲武器使阿飞行员因眩目而放弃攻击。

美国已研制成功但尚未投入使用有两种：一是低能激光步枪，它由电源提供激光能源，有效射程1.6千米，可使人致盲；二是激光榴弹，通过高爆振荡和加热惰性气体产生激光，使敌人轻则晕头转向，重则致盲，并能使坦克、车辆、舰船等武器平台内的光学瞄准镜、激光测距器、目标探测器等装置不能正常工作。

脉冲激光在3种大气模型下传输的热晕与湍流效应研究

摘要：于中纬度地区夏季、季、带地区３种大气模型下的实验数据，基冬热通过最小二乘法拟
合，分别得到了大气的吸收系数随海拔高度变化的函数式，建立了序列脉冲激光在地对空传输
的热晕和湍流效应模型，写了四维程序。通过数值分析的方法，量地研究了这３种大气模编定
（．ｎｔｕｅｏｃｅｃｎｏｍａｉｎＥｇｎｅｉｇＵｉｅｓｔ，Ｚｅｇｈｕ４００，Ｃｈｎ；２Ｃｌｇｆ１ＩｓｉｔｆＳｉｎｅ，Ｉｆｒｔｎｉｅｒｎｖｒｉｔｏｎｙｈｎｚｏ５０１ｉａ．ｏｌｅｏｅ
ＰｏｎｅｅｔｎＳｉｃｎｎｉｅｒｇａｉａＵｉｒｔｏｅｎｅＴｃｎｌｙｈｎｓａ０３ｈｎ）ｈｔ —ｌｒｃｅｅａｄＥｇｎｅｎ，Ｎｔｎｌｎｖｓｙｆｆｓｅｈｏｇ，Ｃａｇｈ１７，ＣｉａｏｃｏｎｉｏｅｉＤｅｏ４０
ＲｅｔｔｖｌｌｅｓｒｉｒｅＡｔｏｐｒｃＭｏｌｐｅｉｉｅｙＰｕｓｄＬａｅｎＴｈｅｍｓｈｅｉｄｅｓ
ＬＵＷｅ，ＩＯＴａ —ｅ，ＡｉｇＩｉＬＡｉｈＧＯＱｏｎｎ
ｓｒｏｓｔａｈｔｉｎｅｎｔｅｓｍｅｒｇｏｅｉｕｈｎｔａｎｗｉｔｒｉｈａｅｉｎ．
Ｋｅｒｓ：ｈｒｌｂｏｍｉｇ；ｅｔｔｖｌｕｓｄｌｓｒｌａｔｓａｅｍｅｈｄ；ｂｏｐｉｎｃｅｃｅ；ｙｗｏｄｔｅｍａｌｏｎｒｐｅｉｉｅｙｐｌｅａｅ；ｅｓｑｕｒｔｏａｓｒｔｏｏｆｉｎｔｉａｍｏｐｅｉｄｌｔｓｈｒｃｍｏｅ

大气湍流中的激光传输

使用适应性强的接收器
要点一
总结词
使用适应性强的接收器可以捕获更多信号，降低噪声和干扰。
要点二
详细描述
在湍流大气中，光束的形状和强度可能会快速变化。因此，使用适应性强的接收器非常重要。这种接收器能够快速响应光束的变化，并捕获更多的信号能量。此外，接收器还应具有较低的噪声和干扰水平，以提高信号检测的准确性。通过结合适应性强的接收器和适当的信号处理技术，可以进一步改善激光传输的性能，提高通信和探测系统的可靠性。
激光遥感技术能够实现高分辨率、高精度的目标成像，为地理信息获取、资源调查等领域提供支持。
穿透性强
激光的波长较短，能够穿透一定厚度的云层和植被，因此在气象预报、森林防火等领域有广泛应用。
实时监测
激光遥感技术能够实现实时、动态的目标监测，为灾害预警、环境保护等领域提供及时的信息支持。
THANK YOU
大气湍流的特性
总结词
大气湍流的特性包括随机性、非线性和尺度变化等。
详细描述
大气湍流的随机性表现在流场中各点的速度和方向都是随机的，无法预测下一个时刻的状态。非线性则是指湍流中各种物理量之间的相互作用是非线性的，导致流场的复杂性和混沌性。此外，大气湍流还具有尺度变化的特性，从小尺度到大气边界层，湍流的作用范围广泛。
04
大气湍流中激光传输的改善方法
提高激光功率
总结词
提高激光功率可以增强信号强度，减少因大气湍流引起的信号衰减。
VS
详细描述
通过使用更高功率的激光器，可以增加信号的能量，从而提高在湍流大气中传输的信号强度。这有助于克服湍流引起的光束漂移和扩展，降低误码率，提高通信和探测系统的性能。
优化光学系统设计

固体激光器原理固体激光器

固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。

1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。

固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。

在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。

这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。

用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。

与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。

对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。

晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。

玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。

这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。

但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。

常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。

80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。

高功率固体激光器热管理新技术研究

高功率固体激光器热管理新技术研究
高功率固体激光器在工业、医疗和国防等领域具有广泛的应用前景，然而，其工作过程中会产生大量的热量，导致激光器的温度升高，影响其性能和寿命。

因此，研究高功率固体激光器的热管理新技术具有重要的意义。

目前，有几种常见的高功率固体激光器热管理技术：
1. 激光冷却技术：利用液冷或气冷方式，通过传导或对流的方式将固体激光器的热量传递到冷却介质中，从而降低激光器的温度。

这种技术相对简单，但对冷却系统的设计和维护要求较高。

2. 热水冷却技术：通过将激光器放置在水池中，利用水的高比热和吸热能力，将激光器的热量传递到水中，然后通过水的循环冷却系统进行散热。

热水冷却技术具有较高的热量传递效率，但对于大功率激光器来说，需要解决水的波动和腐蚀等问题。

3. 热管技术：利用热管的原理，将激光器产生的热量传导到热管中，然后通过热管的传热和换热能力实现激光器的散热。

热管具有热导率高、体积小、结构简单等优点，适用于高功率固体激光器的热管理。

4. 碳纳米管散热技术：将碳纳米管材料应用于固体激光器的热散热装置中，通过碳纳米管的高导热性能和较大的比表面积，实现高功率固体激光器的热量快速传导和散热。

这种技术目前仍处于研究阶段，但具有很大的应用潜力。

总的来说，高功率固体激光器热管理新技术的研究主要包括激光冷却技术、热水冷却技术、热管技术和碳纳米管散热技术等。

这些技术的应用可以有效地改善固体激光器的热管理，提高其性能和寿命，并进一步推动激光技术的发展。

固体激光器基本原理以及应用

固体激光器基本原理及其应用
汇报人：
单击输入目录标题固体激光器的基本原理固体激光器的应用固体激光器的发展趋势
添加章节标题
固体激光器的基本原理
固体激光器的组成
泵浦源：提供能量使激光介质产生激光如氙灯、半导体激光器等
冷却系统：保持激光介质的温度稳定提高激光器的性能和寿命如水冷、
风冷等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
技术进步：提高输出功率、降低能耗、提高稳定性
研究热点：新型材料、新型结构、新型工艺等
固体激光器的应用拓展势
医疗领域：用于眼科、皮肤科等疾病的治疗
工业领域：用于切割、焊接、打标等加工工艺
科研领域：用于光谱分析、激光雷达等科学研究
军事领域：用于激光武器、激光通信等军事应用
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
激光介质：产生激光的物质如YG晶体、Nd:YG晶体等
光学谐振腔：使激光在腔内反复反射形成稳定的激光输出如反射镜、
全反射镜等
电源和控制系统：提供激光器的工作电压和电流控制激光器的工作状
态如电源、控制器等
固体激光器的工作原理
激光产生：通过激发态粒子的受激辐射产生激光
激光治疗：用于皮肤病、肿瘤、血管疾病等治疗
激光诊断：用于皮肤病、肿瘤、血管疾病等诊断
激光美容：用于皮肤美容、整形等美容项目
军事领域的应用
激光制导武器：利用激光精确制导提高打击精度
激光通信：实现远距离、高速、保密通信
激光雷达：用于探测、跟踪、识别目标
激光武器：用于摧毁敌方武器装备、设施等
增益介质：使用固体材料作为增益介质如稀土离子掺杂的晶体

第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤

I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长，蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-

三维激光雷达系统分类大全

三维激光雷达系统分类大全在测绘界，移动三维激光雷达系统（Mobile LiDAR System）正在测绘界的宠儿，其高效的数据采集模式，高密度高精度的点云信息，使其在新型基础测绘建设中大放异彩。

激光雷达是集激光、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。

随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，在机器人、无人驾驶、无人车等领域都能看到它的身影，有需求必然会有市场，随着激光雷达需求的不断增大，激光雷达的种类也变得琳琅满目，按照使用功能、探测方式、载荷平台等激光雷达可分为不同的类型。

一、激光雷达按功能分类（一）激光测距雷达激光测距雷达是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。

传统上，激光雷达可用于工业的安全检测领域，如科幻片中看到的激光墙，当有人闯入时，系统会立马做出反应，发出预警。

另外，激光测距雷达在空间测绘领域也有广泛应用。

但随着人工智能行业的兴起，激光测距雷达已成为机器人体内不可或缺的核心部件，配合SLAM技术使用，可帮助机器人进行实时定位导航，，实现自主行走。

思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模块使用是目前服务机器人自主定位导航的典型代表，其在25米测距半径内，可完成每秒上万次的激光测距，并实现毫米级别的解析度。

（二）激光测速雷达激光测速雷达是对物体移动速度的测量，通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度。

激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。

这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。

另一类测速方法是利用多普勒频移。

激光大气传输特性分析研究

激光大气传输特性分析研究激光大气传输特性分析具有重要意义和应用价值，对于激光通信、激光雷达、激光武器等领域的发展至关重要。

本文将阐述激光大气传输特性分析的研究背景、现状和难点，介绍主要方法和技术，总结研究结果和发现，并强调其在应用上的重要性和价值。

激光大气传输是指激光在大气中传播的过程，受到大气中各种粒子的吸收、散射和折射等作用的影响。

在大气传输过程中，激光的强度、方向和波形等都会发生改变，从而影响激光通信、激光雷达和激光武器等系统的性能。

因此，对激光大气传输特性进行分析，有助于了解激光在大气中传播的规律和机理，为这些领域的发展提供理论支持和技术指导。

目前，激光大气传输特性分析主要集中在理论和实验研究两个方面。

理论分析主要包括辐射传输理论、气体分子动力学理论、气候学理论等，通过建立数学模型来模拟激光在大气中的传输过程。

实验测量则是在实际环境中对激光传输的特性进行测量和记录，以验证理论分析的正确性。

然而，由于大气传输过程的复杂性和不确定性，理论和实验研究都存在一定的难度和挑战。

理论分析方法：基于辐射传输理论，建立激光大气传输模型，计算光强、光谱、相位等传输特性，分析各种因素的影响。

例如，运用蒙特卡罗方法模拟光在大气中的散射和吸收过程，评估不确定性因素的影响。

实验测量方法：通过在实验场地或实际环境中进行激光传输实验，测量光强、方向、波形等参数，获取实际数据。

例如，利用望远镜观测远程目标上的激光斑点，分析斑点特征和变化规律。

数值模拟方法：利用计算机模拟程序，模拟激光大气传输过程，获取各种传输特性参数。

例如，通过模拟不同气候条件下的激光传输过程，预测激光通信系统的性能。

通过对激光大气传输特性的理论和实验研究，科学家们取得了一系列重要成果。

例如：发现了大气中各种粒子（如气溶胶、水蒸气、氧气、二氧化碳等）对激光的吸收、散射和折射作用，以及这些作用的温度、压力和湿度等影响因素。

建立了较为完善的辐射传输理论体系，用于描述激光在大气中的传输过程，并开发了相应的数值模拟软件，可对不同条件下的激光传输进行模拟和预测。

光电子技术2.1光波在大气中的传播

为大气衰减系数(消光系数，km-1)
I
dl
I'
大气衰减图示
传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：
I L dl T exp 0 I0
若在传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。
此式即为描述大气衰减的朗伯定律。
dB / km 4.343 1 / km
1、大气分子的吸收， km
（1）吸收的概念：
吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种： ①一般吸收: 在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。 ②选择吸收: 在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。
激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率起伏场中传输时的效应。湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律”
Di(r ) (i1 i2 )2 C i2r 2 / 3
(2.1-9)
通常用折射率结构常数的数值大小表征湍流强度
2 Cn 2.5 1013 强湍流： 2 弱湍流： Cn 6.4 1017 2 中等强度湍流： 2.5 1013 Cn 6.4 1017
Re Δvl /
(2.1-8)
式中，为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度(m) vl为在l量级距离上运动速度的变化量(m/s)，为流体粘滞系数(kg/ms)。雷诺数Re是一个无量纲的数。

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N#离子!从而激发产生!"J波长的激光!其波长位于电磁波谱的近红外区!与位于中红外的7D激光的波长相差较远!大致是7D激光波长的!),!所以其特征也与7D激光明显不同%!!对于激光系统而言!激光波长与由于衍射而引起的光束发散$大气湍流引起的光束畸变$大气分子和气溶胶粒子的吸收与散射导致的光束能量的衰减以及由此而引起的大气热晕效应等因素密切相关!所以激光波长是激光器系统的一个重要参数%!!由于!"J波长的激光其波长相对较短!所以在减小衍射方面具有明显的优势!另外!在某些情况下!它在减小分子吸收上也同样有明显的优势%由于大气对激光束能量的吸收可导致传输光束形成热晕效应!从而使得激光束形状产生畸变$光束质量下降!影响激光与靶目标耦合效果%虽然大气湍流对!"J波长的固体激光的影响与7D激光相比较大!但是由于目前自适应光学技术的应用!可使得大气湍流对以上两种激光的影响甚小!其差别也不显著%$&%!光学衍射与发射口径!!由于光波的波动性!发射的激光束均具有由于衍射引起的较小的光束发散角!该发散角正比于波长!另外!光束在焦斑处的最大光强和束散角的平方成反比%基于这个原因!假设光束直径和功率相同!则!"J的固体"收稿日期!*)),>!!>**&!!修订日期!*))+>)?>!O基金项目!国家@O?计划项目资助课题作者简介!强希文"!P O"*#!男!陕西西安人!硕士!副研究员!主要从事激光大气光学等方面的研究&3>J G H%+Q H R L A＿V H G A F!!O?&S$J%激光到达靶目标处的最大光强大致是?&@"J 的7D 激光的!?倍!!!除了衍射因素之外"还有许多因素可引起比较衍射极限更大的光束发散"这些因素包含大气湍流#热晕和在激光器系统和光束控制系统中未经补偿的光束畸变!由大气湍流和光束控制系统的光学器件引起的畸变可以利用自适应光学的变形镜来校正"而热晕效应引起的非线性束发散很难校正"所以应尽量使其最小!由于光束的衍射极限与发射口径相关"波长为?&@"J 的7D 激光器的发射口径为!"J 的固体激光器的?&O 倍时"二者的衍射极限大致相同!而光束发射系统的口径增大同时引起系统体积#质量的增加"系统跟瞄难度增加"从而使得利用增加发射口径减小光束发散角显得不太现实!表!是平均发射功率为*))Y 2#光束发射直径?)S J 的激光系统传输+Y J 距离后"理论计算给出的不同波长激光到达靶目标处的最大光强以及光斑参数的比较!表$!不同波长激光到达靶目标处的最大光强以及光斑参数N 7=I /$!"/7M 5997@5710/71@3:-2:797./2/93-12796/23G -98795-H 3I 73/93<G =G J L M L =B $C B <$M $A M G =F L M ?&@"J $7D %G B L =B%!&?!+"J $91.5%!&)O "J $((5%B <$M K H G J L M L =&S J "&O *&O *&!B <$M G =L G &S J *,+&,+&??&+H ==G K H G A S L &$Y 2’S J ‘*%,&,?"&"+O &O%!大气传输效应%&$!大气吸收和热晕!!当激光束向靶目标传输时"其部分能量将被大气吸收!这种吸收有两个重要的影响"其一是导致光束的功率减弱"传播到目标上的光强减小(另一个更重要的是大气吸收将使得光束传输通道的大气加热"光束形状发生畸变"产生热晕效应"这将进一步增加光束的发散和减小靶目标处的光强!热晕效应与光强分布呈非线性关系"另外"大气中垂直于光束传输方向的风速也与热晕密切相关"而大气风速呈现随机性"使得不可能利用自适应光学技术对热晕进行预校正!!!引起热晕效应的因素有两种)大气分子吸收和气溶胶吸收!大气分子吸收是由于大气分子吸收激光能量"导致能级跃迁!对于分子吸收"!"J 波长的固体激光有很多优势!当波长为?&@"J 的7D 激光在海平面上的吸收为$+]%O ]%&Y J 时"!"J 的大气分子吸收可以忽略!即使在不考虑热晕影响的情况下"+]&Y J 的吸收衰减将导致在大气中传播!)Y J 后能量损失,)]!在所有的情况下"大气分子对!"J 波长固体激光的吸收系数均小于)&)!]&Y J !另一种引起热晕效应的因素是大气气溶胶的吸收"即大气中分布的液体或固体微粒对激光束能量的吸收!这种气溶胶包括灰尘和烟雾!由于气溶胶并不是大气的气态成分"所以它们的成分和浓度随着天气条件#地理位置#海拔高度和当地局地地形等因素变化!为了说明气溶胶吸收的量级"利用512846’"软件"在海拔高度为)%*Y J 时利用边界层模型*?+#海拔高度在*Y J 以上时利用对流层模型"表*给出乡村条件下不同能见度时大气气溶胶的吸收系数的高度分布!表%!乡村条件下不同能见度时的大气溶胶吸收系数N 7=I /%!<=3-9:258/0-/G G 505/12-G 7/9-3-I #$8535=5I 525/3G -99H 97I 79/73G %M H M I K L &Y JG N B $=<M H W L S $L C C H S H L A M C $=?&@"J $7D %G B L =B %&$]’Y J ‘!%G N B $=<M H W L S $L C C H S H L A M C $=!&?!+"J $91.5%&$]’Y J ‘!%G N B $=<M H W L S $L C C H S H L A M C $=!&)O "J $((5%&$]’Y J ‘!%X J ^*?Y JX J ^!)Y JX J ^*?Y JX J ^!)Y JX J ^*?Y JX J ^!)Y J)&))&*)&,)&"!&O )&"!&@!&))&!)&,)&+!&P )&+*&)*&))&!)&!)&?)&?)&?)&??&))&))&))&!)&!)&!)&!,&))&))&))&!)&!)&!)&!+&))&))&))&))&))&))&)!!如果只考虑大气分子的吸收"则结论可能是固体激光束的传输不受热晕效应支配!尽管对于!"J 波长的激光"其大气分子吸收可以忽略"但是表中的吸收系数表明!"J 波长激光的大气气溶胶粒子的吸收是不能忽略的!在!)Y J 能见度条件下"!"J 波长气溶胶吸收达到*]&Y J "可与?&@"J 7D 激光的)&,]&Y J 的气,?!强激光与粒子束第!"卷溶胶吸收和!+]%O ]"#Y J 的分子吸收相比较$!!以上讨论没有考虑烟雾中存在的碳质气溶胶对激光束的吸收%表?给出了城市碳质气溶胶在不同能见度时吸收系数的对比情况$可以看出碳质气溶胶对!"J 波长的激光的吸收要比?&@"J 的吸收强烈$表&!城市碳质气溶胶不同能见度时吸收系数的对比N 7=I /&!<=3-9:258/0-/G G 505/12-G 079=-170/-H 37/9-3-I #$8535=5I 525/3G -9H 9=7179/73W H B H N H %H M U #Y J G N B $=<M H W L S $L C C H S H L A M C $=?&@"J !7D 5"#!]&Y J ‘!"G N B $=<M H W L S $L C C H S H L A M C $=!&)O "J !((5"#!]&Y J ‘!"*?)&P *&?!)*&"O &"!!对于碳质气溶胶%*?Y J 能见度下的!"J 波长激光的吸收系数增长了大约与!)Y J 能见度乡村条件下相同大小的值!*]#Y J "$尽管!)Y J 能见度下!"J 波长激光的碳质气溶胶吸收系数相当大%但是当同时考虑大气分子和气溶胶的吸收时%这个值仍然小于?&@"J 波长激光在所有情况下的大气吸收$%&%!大气散射!!大气散射主要是指当光波与其传输路径上不规则分布的小微粒作用时产生的光学衍射%这是引起激光束能量衰减的另一个重要因素$值得注意的是%与大气的光学吸收不同%光学散射并不会在大气中储存热量%从而不会产生热晕效应$!!瑞利散射描述了大小与波长可比拟的微粒的散射%主要是大气分子的散射%其散射导致的衰减与波长的,次方成反比$由于瑞利散射在!"J 波长的固体激光和?&@"J 波长的7D 激光系统中影响很小%所以在这里不考虑这种散射$利用51246’"软件和与表*中相同的大气气溶胶模型%则光学散射是高度的函数%表,给出了乡村条件不同能见度时大气气溶胶散射消光系数$与大气气溶胶吸收的情况类似%表+给出了城市碳质气溶胶不同能见度时大气气溶胶散射散射系数$表(!乡村条件不同能见度时大气气溶胶散射消光系数N 7=I /(!,0722/95160-/G G 505/12-G 7/9-3-I #$8535=5I 525/3G -99H 97I 79/73G %M H M I K L #Y JB S G M M L =H A F S$L C C H S H L A M C $=?&@"J%G B L =#!]&Y J ‘!"B S G M M L =H A F S $L C C H S H L A M C $=!&?!+"J%G B L =#!]&Y J ‘!"B S G M M L =H A F S $L C C H S H L A M C $=!&)O "J%G B L =#!]&Y J ‘!"X J ^*?Y JX J ^!)Y JX J ^*?Y JX J ^!)Y JX J ^*?Y JX J ^!)Y J)&)!&O ?&@,&O !)&P O &)!,&,!&))&P ?&+*&"!)&+?&O !?&P *&))&+)&O !&"!&"*&?*&??&))&))&))&P )&@!&!!&!,&))&))&))&,)&,)&O )&O +&))&))&))&*)&*)&?)&?表)!城市碳质气溶胶不同能见度时大气气溶胶散射系数N 7=I /)!,0722/95160-/G G 505/12-G 079=-170/-H 37/9-3-I #$8535=5I 525/3G -9H 9=7179/73W H B H N H %H M U #Y J B S G M M L =H A F S$L C C H S H L A M C $=?&@"J !7D 5"#!]&Y J ‘!"B S G M M L =H A F S $L C C H S H L A M C $=!&)O "J !((5"#!]&Y J ‘!"*?*&*"&?!)+&?!@&)%&&!大气湍流!!当激光束在湍流大气中传播时%大气湍流可使得光束发生畸变$其中对光束传输造成影响的大气折射率起伏主要是由于大气温度起伏所致%它可导致光束的跟瞄误差和增加到达预定靶目标处光束的发散$在惯性子区间大气湍流满足局地均匀各向同性条件%可以利用[$%J $F $=$W 定律’,(描述$当考虑大气湍流所致的光束发散时%引入大气相干长度’+(!一般记为()"是非常有用的$此时在靶目标处的时间平均焦斑直径可以认为与孔径为()的衍射极限光束一致$当大气湍流增加而相应的()减小时%辐照在靶目标处的光斑直径相应增加$利用大气湍流的[$%J $F $=$W 理论%则可以得到()的大小与#!U *成正比%激光束的时间平均束发散与,#=)成正比%靶目标处的光斑直径与#M )U *成正比%其中#为激光波长$!!由于大气湍流导致的光束畸变是一个线性过程%而且可以利用目前较为成熟的自适应光学技术进行校正$但是对于未经校正的光束%当光束发射口径相同时%!"J 波长的激光光斑大小是?&@"J 波长的!&?倍$+?!增!刊强希文等)高平均功率固体激光及其大气传输&!能量传输与耦合&&$!连续波激光的传输D H F &!!0=$<G F G M H $AB H J I %G M H $A C $=*))Y 2G W L =G FL <$R L =!?)S JK H G J L M L =I A S $==L S M L KN L G J图!!平均功率*))Y 2!直径?)S J 光束传播的模拟"未校正#!!考虑前述大气传输效应!引入了中纬度夏季大气模型!在能见度为*?Y J 的乡村气候条件下!假设风速为*&+J $B !假定?&@"J 和!"J 两种波长的激光束的平均功率均为*))Y 2!光束发射口径为?)S J !两种光束均假设为具有两倍衍射极限的光束发散!光束旋转角速率分别设置为+J =G K $B 和+)J =G K $B%作为比较!图!给出了靶目标处光强为+Y 2$S J*时作为距离和高度函数的光强等值线%!!可以看出!对于两种角速率!!"J 波长激光束有一个明显的增强"大于*倍#范围%由于发射光强反比于传输距离的平方!所给结果说明!"J 波长激光束较?&@"J 波长激光束的大气传输具有明显的优势%这意味着在这些条件下!!"J 波长激光束到达靶目标时的平均光强大约是?&@"J 激光的!)倍%由于!"J 光束的优势在空气能见度较差时受到拟制!但即使能见度下降到!)Y J !其传输后到达靶目标处的光强还有可能是?&@"J 激光*%?倍%另外!在此所给的结果均没有考虑利用自适应光学技术对大气湍流影响进行校正!所以!在考虑校正后!!"J 波长激光的传输优势将更加明显%&&%!脉冲激光的传输!!固体热容激光器输出的是一系列的脉冲!而不是连续的光束%典型的实时占空因数为!)]!这意味着在每一个激光脉冲当中!输出的功率是平均功率的!)倍%例如!!))Y 2的热容激光将有一个峰值功率!每个激光脉冲峰值功率为!;2%这种脉冲形式可能对光束向目标的传播和与目标表面的相互作用有潜在的影响%!!一般而言!脉冲激光可能产生比连续波激光更强的热晕效应!但具体还需考虑大气的吸收因素%另外!在考虑表面损伤机制时!高功率高重频脉冲激光具有明显的优势%由于固体热容激光可有效地在靶目标上积聚能量!从而使得靶目标表面温度迅速升高%对于金属靶!吸收几乎完全发生在表层!能量一旦积聚!热量在传入金属内部之前即可使得其表面产生损伤%相比之下!由于热传导作用!吸收同样的能量时!连续波激光不能使金属达到同样的高温%所以!对于给定的激光输出功率!连续波激光对靶目标引起的损伤较小%!!为了阐明这种优势!考察一个*J J 厚的钢板上*S J_*S J 的光斑%钢板受到*))-Z 平均功率为!))Y 2的@个脉冲的固体热容激光辐照!同时!钢板受到相同时间",)J B #相同功率的连续波激光辐照%对于固体热容激光!温度以脉冲的形式增加!峰值达到!+))f !该值高于连续波激光%在钢板后表面!固体热容激光产生的温升较连续波高约!))f %!!值得指出得是!金属的吸收率不仅随温度增加!而且随激光的频率增加!由于固体热容激光具有较高的频率!这一点是固体热容激光器的优势%(!结!论!!!"J 波长的高平均功率固体激光具有很大的发展潜力!这不仅是因为目前激光器系统本身所具有的小型化&机动性以及由电源提供动力等优势!而且也是因为其具有高重频&高平均功率!特别是较好的大气传输性能%!!基于以上分析!可以得出以下初步结论’光束发射口径相同时!!"J 波长固体激光在目标上产生的最大校正光强是?&@"J 激光的!?倍(?&@"J 波长激光典型的分子吸收系数为"+]%O ]#$Y J !!"J 波长激光的远小于)&!]$Y J (热晕是非线性现象!较难利用自适应光学技术进行校正(!"J 波长固体激光的气溶胶吸收比?&@"J 的高(但在能见度!)Y J 的乡村气溶胶条件下!!"J 波长固体激光的大气分子和气溶胶吸收总和小于?&@"J 的一半(碳质气溶胶的吸收对!"J 固体激光的传播有着重要的影响!在!)Y J 能见度且存在烟雾的环境下!!"J 和?&@"J 的大气吸收大致相等!在更低的能见度条件下!!"J 的吸收大于?&@"J %在具有烟雾的低能见度条件下!两种波长激光的传输均受到较为严重的影响(大气散射与波长成反比!可表示为#‘!!由O?!强激光与粒子束第!"卷于大气散射不引起大气的加热!从而不导致热晕效应!所以它对光传输的影响较吸收小"大气湍流引起的光束发散可表示为#‘)&*!由于大气湍流可以利用自适应光学技术进行校正!这对!"J 波长固体激光更为有利#!!综合考虑大气传输的影响!在能见度为*?Y J 乡村气溶胶条件下!若在靶目标处达到的光强相同!则!"J 波长激光的传输距离是?&@"J 激光的?倍以上"固体激光为脉冲方式束且光束较小!热晕效应相对较严重!需要对脉冲宽度以及重复频率进行优化"固体热容激光器的脉冲输出可增加激光与金属靶目标的耦合效率!从而增加对靶目标的损伤效果#参考文献!$!%!:L =F L =c !2L %S T7!(S H C =L B7!L M G %&-H F T <$R L =S $A M H A I $I B >R G W L A L $K U J H I J &G %I J H A I J F G =A L M %G B L =L A K ><I J <L K N U G %G B L =K H $K L G ==G U$c %&C 77.>:5$’33!!P @"!)$&!**!’!**,&$*%!任国光!黄裕年&高功率固体激光器的最新进展及其军事应用$6%&*))?年全国光电技术学术交流会$9%&武汉!*))?&,O "’,"!&(4L A//!-I G A F E ’&8T L A L RK L W L %$<J L A M G A KJ H %H M G =U G <<%H S G M H $A $C T H F T ><$R L =B $%H K >B M G M L %G B L =B &*))?d B9T H A L B L (U J <$B H I J$A1<M $L %L S M =$A H S 8L S T A $%$F U&2I T G A !*))?&,O "’,"!)$?%!(J H M TD/&6M J $B <T L =H S <=$<G F G M H $A $C =G K H G M H $A &#$%I J L *$C8T L .A C =G =L Kn 3%L S M =$>1<M H S G %(U B M L J B-G A K N $$Y $;%&:L %%H A FT G J !2G B T >H A F M $Ab (6!(0.31<M H S G %3A F H A L L =H A F 0=L B B !!P P ?&$,%![$%J $F $=$W6’&8T L %$S G %B M =I S M I =L$C M I =N I %L A S L H AH A S $J <=L B B H N %LW H B S $I B C %I H KC $=W L =U %G =F L4L U A $%K BA I J N L =B $c %&N *0.%#5C0%#Q %,0V ==F !!P ,!!&F &?)!’?)O &$+%!D =H L K75&(M G M H B M H S B $C G F L $J 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