半导体激光器在军事上的各类应用

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自年世界上第一台半导体激光器发明问世以来，半导体激光器发生了巨大的变化，极大地推动了其他科学技术的发展，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一，近十几年来，半导体激光器的发展更为迅速，已成为世界上发展最快的一门激光技术。

半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作，由小功率型向高功率型转变，输出功率由几mW提高到kW级(阵列器件)。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等270余种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVB)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。

由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点，使得它目前在军事领域中应用非常广泛，它作为一种很有潜力的光源，已受到各国军方的高度重视。以美国为例，美国国防部、宇航局、各军兵种以及国家实验室等20多个部门都在为武器装备研制高功率半导体激光器，使得美国在这一领域处于世界领先地位。随着新型半导体材料不断涌现、半导体激光器结构的不断完善和半导体激光器应用的日益开拓，半导体激光器研究也取得了突飞猛进的进展。20世纪80年代开展了半导体激光器阵列的研究，最初主要集中在锁相阵列上，以求获得窄的衍射极限光束。这个工作一直到共振漏波耦合阵列出现才取得突破性进展。

后来大功率半导体激光阵列成为目前应用范围最广泛的阵列器件。半导体激光列阵以激光条为基本单元，由于输出功率大、工作电流大、损耗热大，所以在器件优化上有一定的技术难点，要兼顾波长、发散角、阈值、效率等参数，因激光条与单元器件的管芯不同，它要求高均匀性、大面积，低缺陷密度的外延材料生长技术。根据量子阱激光器理论，通过对激光器的材料结构进行设计来满足阈值、波长、效率、发散角的要求，通过采用横向隔离技术来解决发光单元之间的干扰近年来，高功率半导体激光器阵列器件也得到了飞速的发展，已推出产品有连续输出功率5W、10W、15W、20W 和30W的激光器阵列。脉冲工作的激光器，峰值输出功率50W、120W、1500W和4800W的阵列也已经商品化。一个4.5cm×9cm的二维阵列，其峰值输出功率为350KW的二维阵列问世。

美国是半导体激光器泵浦技术开发应用较早、进展最快的国家。日本、英国和德国的西门子公司早在1988-1989年就提供了高功率半导体激光器系列产品用作泵浦光源，目前国外用半导体激光器叠层阵列泵浦Nd;YAG激光器，输出功率达到1000W，预示着在军事装备领域应用的半导体激光技术将产生巨大变革。

半导体激光雷达

早在70年代，半导体激光雷达采用合作目标探测，就已用于舰船入港时避障和防撞，空间会合和高速或超高速干道上车辆的测距。例如美国国际电话公司在1967 年就研制出了第一代用于飞船交会制导的GaAs 扫描激光雷达，1977年研制出了第二代，作用距离90km，这种飞船载雷达机动性好，总重量为18kg。半导体激光雷达已用于卫星对接系统，该雷达系统由几个子系统组成，一部分安装在第一卫星上，另一部分安装在第二个卫星上。此外，在1977年之前美国就开发出了一种便携式GaAs激光雷达，它用GaAs激光器照明。进入80年代以后，非合作目标探测的半导体激光雷达发展起来并用于航天飞机回收卫星时的精确定位等。在海湾战争中，半导体激光雷达曾用于直升机在甲板上的起降控制和防止直升机夜间飞行中与沙丘碰撞。研制这种半导体激光雷达有美国Laser Technology和Laser Atlata等公司。此外，美国的休斯公司、Schwatz公司、Sparta公司、洛雷尔系统公司以及法国的汤姆逊公司等在80年代末至90年代初还分别研制出半导体激光成像雷达，用于战场侦察、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导等。半导体激光雷达已成功地用于常规兵器。

美国桑迪亚国家实验室受到高功率半导体激光器发展的推动，研制了一种125mW半导体激光的测距、成像激光雷达。它能够以4次/s 的速度更新图像，相当清晰地区分装甲车的类型和人、车之间距离，可用为常规兵器自动目标识别和瞄准修正系统的组成部分，也可作为机器人的视觉系统以及自主飞行器的控制系统。

新型半导体激光雷达除了具备上述半导体激光雷达的优点外，还具备以下特性;

(1)与被动探测(红外系统)相结合;

(2)多种成像功能，包括强度成像、距离成像和速度成像;

(3)具有先进的实时图像处理功能，包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。

美国桑迪亚国家实验室，研制了一种125mW半导体激光的测距、成像激光雷达，它能够以每秒4次的速度更新图像，相当清晰地区分装甲车的类型和人、车之间距离，可作为常规兵器自动目标识别和瞄准修正系统的组成部分，也可作为机器人的视觉系统以及自主飞行器的控制系统，半导体激光雷达体积小、结构简单、性能可靠、测速精度高，它是继1.06μm 固体激光装置以后，第二个率先在实践中应用的光电武器。

随着高重复频率高功率半导体二极管阵列激光器的实用化，又出现了24通道实时成像二极管阵列激光成像，对目标的最大测程为500m，帧频为3Hz，具有伪彩色和灰度反射强度图像的实时显示以及实时目标分类和瞄准点确定等功能。非扫描成像半导体激光雷达能同时进行被动强度成像(即不用激光照射时的成像)和主动强度成像(即主动照明时的成像)，还可进行强度成像和速度成像。而且由于焦平面阵列器件的采用使各种成像的速率都非常高。这就为先进的实时图像处理提供了先决条件，这也是扫描半导体激光雷达所达不到的。

半导体激光测距二极管

激光测距仪开发较早，小于1km测量距离的商用测距仪已达到实用水平，用于测距报警系统、航海浮标测距、集装箱检查等。GaAs激光测距仪以数千次/s 的脉冲重复频率工作，在距离几公里内精度可达几厘米。

80年代，美国科顿公司的M931 型半导体激光测距夜视仪，将单目夜视装置和GaAs半导体激光器集为一体，测程超过1km ，重量1.3kg 。美国国际激光系统公司GR500 型激光测距机，采用GaAs 激光器，重复频率为2kHz ，脉宽40nS ，发散角5 ～50mrad ，测3230m ，重量10kg 。美国轻型反坦克武器激光测距机采用GaAs激光器，输出功率40W ，宽70ns , 发射角10 mrad ，重复频5 .7kHz ，测距大于500m 。随着半导体激光泵浦固体激光器的发展，美国麦道公司已将它引入军事市场，1990 年初开始在F / A -18 战斗机上进行试验，1991 年春季投入生产。用气冷的激光二极管泵浦Nd;YAG ，输出波长为1.064μm或532nm ，脉冲能量达200mJ ，工作温度-35 ℃～+60 ℃，该装置的重量为4 .5kg - 5 .7 kg。

半导体激光制导跟踪

半导体激光制导跟踪激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用，一种方法是光纤制导通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器，观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令，以达到控制操纵导弹的目的。

最近，美国陆军航空与导弹司令部正在研制射程为15km的增强型光纤制导导弹和可在100km以上远距离实施精确打击的远程光纤制导导弹。激光制导的另一种方法是驾束制导，又称激光波束制导。从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标。在波束中飞行的导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光接收器探测到激光信号，经信息处理后，弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向，形成控制信号。再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构，使其沿着波束中心飞行，直至摧毁目标为止，激光驾束制导可用于地-空，空-空，地-地导弹等多种类型的导弹制导，瑞典RBS-700地-空导弹是世界上第一个激光驾束制导武器系统，1967年开始研制，1975年投入生产，1976年装备部队。该弹采用GaAs激光器，导弹射程5km(即半导体激光器作用距离)，射高3km，激光器与导弹射程完全匹配。改进后的第二代武器系统，射程可增加到6.5km，射高4.5km，增加了红外夜视装置，可在10km 处发现目标。美军从1981年开始研制利用半导体激光器制导的导弹，已用于TOW 反坦克导弹、FOG-M导弹。

半导体激光瞄准和告警瞄准

半导体激光瞄准和告警瞄准具有两类。一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础，士兵须佩戴夜视镜才能看到目标上的激光光斑，以解决夜间士兵的瞄准射击问题。另一类激光瞄准具是以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在80年代推出的FA-4型激光瞄准具，重量仅99g，长11.4cm，该瞄准具可装在手枪上。

在海湾战争中，美国部队已将激光瞄准具和激光告警同时用于直升飞机的驾驶上。另外，美国已将供地面使用的激光二极管瞄准具装在直升机机枪上，并配用夜视眼镜，以提高这些武器的效能。在半导体二极管阵列型激光告警系统中，借鉴雷达对抗信号分选原理，采用微处理器，能够实现多激光威胁源的信号处理。在海湾战争中，美国部队已将激光瞄准具和激光告警同时用于直升机的驾驶上，由于在沙漠中反差变化小，不利于低空飞行，为驾驶员提供快速的定位装置，是在起落架中增设了两个脉冲激光二极管瞄准灯，驾驶员使用的夜视装置可以看到激光的反射，给驾驶员提供距沙丘300～600m 的明确标示，足以使驾驶员采取规避动作，安全地通过任何凸起地形，为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求，激光告警的工作波段不断拓展，角分辨率也不断提高，研制的双波段型复盖的波段可从0.45～1.65μm，这种设备已在“豹”型坦克上作了实验，并于1988年在直升机上进行双波段设备的实验，美国研制的AN/AVR-2A告警器具有附加的RS-422接口，可在直升机上配用不同显示器，也可通过接口卡，方便地与先进战术红外对抗(ATRCM)和先进技术雷达干扰机(ATRJ)等对抗系统相组合，它用来装备阿帕奇AH-64直升机和英军的新型攻击直升机，并在海湾战争和最近的伊拉克战争中使用。

半导体激光引信

半导体激光引信半导体激光器是唯一能用于弹上引信的激光器，激光近炸引信可以准确地确定起爆点，使弹头适时起爆，激光发射装置与接收装置均置于弹的头部，当弹丸接近目标到最佳炸点时，反射激光信号强度就达到一定程度，使执行机构执行起爆任务，保险和自炸机构是引信独有的，炸弹一旦未捕获或失丢目标以及引信失灵后，自炸机构可以引爆弹丸自毁。根据功能分类，近炸引信可分为光学引信和磁引信以及其它引信(复合引信与指令引信)。光学引信又包括红外引信(被动式)和激光引信(主动式)。

激光引信是通过辐射的激光光束(近红外线)，探测物质反射回来的光而工作的一种引信。70年代美国就出现了2.75in 的火箭弹用激光引信、“猎鹰”导弹和“小槲树”导弹用激光引信、AIM-9L“响尾蛇”导弹用DSU-15/B型激光引信。1977年英国研制了一种带有GaAs激光二极管的对空导弹近炸引信。1980年以来，美国AGM-88A型高速反雷达导弹、美国和瑞士联合研制的ADATS防空—反坦克导弹、美国M16A步枪发射的枪榴弹，以及瑞典RDS-70导弹、法国“马特拉”导弹都采用了半导体激光引信。目前，美国麦道公司还开发了一种通过光纤把激光二极管的激光能量与武器连为一体的利用激光能量触发武器起爆的装置。这种微型激光起爆混合组件把二只激光二极管装在2×1×0.23in3的混合电路管壳内，重量仅22g。选用的激光二极管为窄光束大功率器件，额定功率5W，脉宽10ns，光纤直径125μm，典型武器起爆要求功率最小为250mW，典型设计额定为400mW，例行试验寿命大于200万个脉冲。

半导体激光武器模拟

半导体激光武器模拟激光模拟主要是以半导体激光为基础发展起来的新型军训、演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础，最初叫做激光交战系统(LES)。该系统研制始于1973年秋，至1975年其可行性得到了证实。次年引进微处理机技术，于是LES.发展成为多功能激光交战系统(MILES)。同年，赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES。工程的研制合同，向陆军提供8万多套装备，用于地面作战模拟。此外该公司还研制了空对地作战系统以及MILES空防样机。现在全世界有美、英、瑞典三国出售MILES系统。北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发。该系统将是LD 和PD 的巨大市场。

军用光纤陀螺光纤陀螺技术

是军用光纤领域中用途最广，对目标监视和测量方面不可缺少的技术手段。光纤陀螺仪由于其精度高、质量轻、可靠性优于机械陀螺和激光陀螺，在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷、发射遥控飞行器和布雷等方面不可缺少，其中声响用于反潜武器，旋转用于改善战术导弹和飞机的惯性导航系统，以加强地面或空中发射的巡航导弹及空-地、地-空导弹的性能。目前，美国、日本和德国等已有40 多个实验室专门从事光纤陀螺的研究工作，第一代光纤陀螺仪早已投入生产，少数产品已投入实战演习和装备部队。

除上述之外，半导体激光器还在制作光纤传感器液晶光阀和激光二极管原子钟等方面，也有广泛的军事应用前景。经过近几年来的开发，我国高功率半导体激光器的研制和生产技术已有了一些基础和实力，但与国际迅猛发展的势头相比，我们还有一定的差距。要开发实用化的高功率半导体激光器，赶上国际先进水平，仍需要作出很大的努力。

本文摘自：光电新闻网