激光的军事应用激光,又称镭射,英文叫“LASER”,是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写,意思是“受激发射的辐射光放大”。
激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。
1916年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’,即一个弱光激发出一个强光的现象,叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。
1958年,美国科学家肖洛和汤斯提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光--激光,他们为此发表了重要论文。
1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
1960年7月7日,梅曼研制成功世界上第一台激光器,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石色水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。
前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器。
半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。
1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门高新技术,经过50多年的发展,从机理原理,实验手段到制造工艺都已逐步成熟,受到各大军事强国的重视,未来有望成为军事技术最活跃的一个领域。
激光的重要特点如下:高亮度。
强激光的亮度比太阳表面亮度高出百亿倍,这样的高亮度是普通光源无法比拟的。
方向性强。
激光发射的几乎是一束理想的平行光,它可以传播很远而极少发散,一束激光在20公里的距离上,几乎不发散,激光射向月球,光斑也不到2公里。
人们正是利用这一特点,准确地测出月球与地球间的距离。
单色性好。
颜色的不同,本质上是光的波长不同,普通光源的波长有一个范围,人眼所能感觉的波长是3800~7600埃,而激光的波长范围很窄。
激光可比一般单色光源频谱窄上万倍至千万倍,是当今世界上最好的单色光源。
相干性好。
激光几乎是理想的单色光,是很好的相干光。
而各种自然光和人造光在空间和时间上是杂乱的,互不相干的非相干光。
由于激光具有上述特点,激光技术在军事领域得到广泛的应用。
其主要应用有:一激光武器激光武器用于杀伤敌重武器装备时,需要较高的能量,通常称为高能激光武器或称激光炮。
目前美国已研制出机载和车载激光炮。
激光炮的威力强大,命中率极高。
由于强激光束具有很强的烧蚀作用、辐射作用和激光效应,因而对武器装备具有很大的破坏力。
激光武器可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。
激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。
目前一个激光器的能量还无法将高轨卫星摧毁,但能用几个激光器同时对准1颗卫星进行攻击将其摧毁。
空间激光反卫星是将激光器装在卫星或航天飞机上,攻击对方的卫星;空中激光反卫星是将激光器装在飞机上攻击卫星,它可克服地面发射激光攻击卫星的许多缺点,但不如航天器攻击卫星那么理想,因航天器比飞机平稳,没气流和飞行振动的干扰,激光的能量可充分发挥。
激光武器用于杀伤敌方人员和破坏某些仪器设备时,所需发射的能量一般要求不高,称为低能激光武器,它主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效,或可用来在城市、森林大面积点火。
据报导,脉冲功率100兆焦的激光,可使500米处人眼的玻璃体溢血,在2公里处可烧坏视网膜。
目前已研制出激光致盲武器,可使500米处的人永久失明,使2公里处的人暂时失明。
在反坦克、反潜艇中,激光致盲武器也有很大发展潜力,坦克和潜艇的活动离不开潜望镜,因此对准潜望镜入口发射激光,就会把在用潜望镜观看外部情况的指挥员、驾驶员的眼睛损伤,坦克和潜艇也就失去作战能力。
侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦察地面目标,如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为“瞎子”。
二激光制导所谓激光制导技术,就是利用激光跟踪、测量和传输的手段控制和导引导弹飞向目标的技术。
激光器发出照射目标的激光波束,激光接收装置接收目标反射的光波,经光电转换和信息处理,得出目标的位置参数信号,再经信号变换用以跟踪目标和控制导弹的飞行。
有的激光制导系统还用激光传输控制导弹的指令。
激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活,导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点。
目前已有大量激光制导武器装备部队,其主要制导方式有:半主动制导。
即由地面部队或飞机发射激光照射目标,被制导的武器上装有激光寻的器,接收目标被照射后散射回来激光,从而自动控制武器寻向目标。
主动制导。
把激光目标指示器和激光寻的器同时装在武器上,目标指示器不断地向目标发射激光,寻的器自动接收目标散射回来的激光,将武器寻向目标。
波束制导。
当目标出现后,发射攻击导弹,同时制导站不断发射红外激光束,装在攻击导弹尾部的4块对称的红外接收器,不断接收制导波束,使导弹沿着激光波束飞行,如有偏差,4块接收器收到的信号大小不一,弹内自动控制系统就纠偏,使导弹沿激光波束中心寻向目标。
激光制导可同时攻击多个来袭目标,即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹,打击来袭目标。
为提高激光制导全天候作战能力,各国都在研制先进的激光目标指示器,以保证昼夜作战使用。
目前激光制导技术的发展趋势:制导体制仍以半主动寻的制导和波束制导为主;发展高性能目标捕获跟踪和激光指示系统,提高武器系统的抗干扰能力和生存能力;开发小型化激光雷达导引头,以实现“打了不管”能力的激光自主制导;CO2激光频段的制导有取代YAG制导系统的趋势,特别是CO2雷达成像技术;发展双式多模制导系统等。
三激光测距与激光雷达激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点,以实现高精度的计量和检测,如测量长度、距离、速度、角度等等。
激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。
脉冲式激光测距原理与雷达测距相似,测距仪向目标发射激光信号,碰到目标就要被反射回来,由于光的传播速度是已知的,所以只要记录下光信号的往返时间,用光速(30万千米/秒)乘以往返时间的二分之一,就是所要测量的距离。
现在广泛使用的手持式和便携式测距仪,作用距离为数百米至数十千米,测量精度为五米左右。
我国研制的对卫星测距的高精度测距仪,测量精度可达到几厘米。
连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标,从测量光束往返中造成的相位变化,可换算出被测目标的距离。
为了确保测量精度,一般要在被测目标上安装激光反射器。
它测量的相对误差为百万分之一。
激光测距仪与微波雷达结合,还可以发挥激光波速窄的特长,弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。
激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合,组成光电跟踪测量系统,既可作为靶场试验的测量设备,又常用作武器的光电火力控制系统。
这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统,大大提高了命中率。
激光雷达与微波雷达相似,用窄激光束对某一地区进行扫描,并得出雷达图。
随着有关器件和技术的发展,激光雷达在高精度和成像方面占有优势,其测距精度可达厘米甚至毫米级,比微波雷达高近100倍;测角速精度,理论上比微波雷达高一亿倍以上,现在已做到高1000~10000倍。
军用激光雷达最成功的应用是辅助导航,特别是速度计。
激光速度计可给机载导航计算机提供超精度测量,其测速误差可达0.5mm/s。
激光雷达最适于远距离高分辨率成像。
90年代初林肯实验室改造“火他” CO2激光雷达,成功的跟踪800km外的再入飞行器诱饵的多普勒图象。
随后又研制了一台No1:YAG激光雷达,也精确跟踪了火箭和卫星。
四大气激光通信军事科技的迅猛发展要求人们寻找和发展更高频率、更大容量、能快速架设、隐蔽性更好的信息载体,以适应密集技术条件下局部战争的要求。
激光通信技术由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点,而引起各国的高度重视。
1989年,美国成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统;1990 年,又实验成功适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信;90年代初,俄罗斯随着其大功率半导体激光器件的研制成功,也开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。
随后,便推出了新型的半导体激光大气通信系统,并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。
俄罗斯有关专家普遍认为,半导体激光大气通信系统在一定视距内有效地实现全天候通信是完全可能的,很有军事潜力。
大气激光通信为无线通信的一种,它以光信号作为传输信息的载体,在大气中直接传输。
由于是无线通信,它可随意移动到任何地点并实现移动沟通,这是它最大的军用价值和优势。
就概念而论,大气传输光学线路非常简单,即用发射机将激光束发射到接收机即可。
然而,在实际的大气传输中,激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求,因此系统还应包括主动对准装置。
在空间传输中,激光系统必须有很强的排除杂光的能力,否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。
在实践中,需添加窄通滤光片,可以选择接收激光波长而阻挡其他的波长。
目前而论,激光大气通信系统得以实用化涉及的关键技术,主要有连续波大功率激光器技术;自适应变焦技术;光波窄带滤波技术;光源稳频技术;信号压缩编码技术;光学天线设计制作和安装校准技术等。
目前,国外用于大气激光通信的半导体激光器和接收器件已实现了商品化。
据报道,近年美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适用于半导体激光大气通信的大功率器件,连续输出光功率可从数十毫瓦到数瓦。
与传统的无线电通信手段相比,激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点,很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。
此外,激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比,还具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点,并且在有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力。
与光纤通信相比,使用新技术光通信设备还具有建网和维护费用低廉;实际应用中线路建立快捷,特别适合快速抢通;运行安全,不易被窃听;可移动,可升级等优点。
因此,激光大气通信可极大地提高光通信系统的通信能力,大大节省光―电―光中继器及光端机,使通信技术产生新的飞跃。
激光大气通信的应用在军事领域更是十分广泛,可以架在高山之间完成边防哨所和森林观察的通信;可以临时架设解决必要的通信及计算机联网或作为移动通信的转接站;可以架设在海岸、江河、岛屿或舰船上实现短距离保密通信;同时,其方便快捷和保密性好的优势,还非常适应战场移动指挥的通信需要。