半导体激光器及其在军事装备领域的应用研究

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1、半导体激光器及其在军事装备领域的应用研究半导体激光器及其在军事装备领域的应用研究作者作者 摘要：摘要：文中阐述了半导体激光器的研究现状，简要介绍了半导体激光器在激光 测距，激光制导跟踪，激光瞄准告警，激光雷达和激光引信等军事领域的应用 关键词：关键词：半导体激光器 军事应用1. 半导体激光器技术简介半导体激光器技术简介 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

2、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

3、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

4、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 4.5cm9cm 的二维阵

5、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。2. 半导体激光雷达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 G

6、aAs 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 Techno

7、logy 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

8、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

9、度高，它是继 1.06m 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。3

10、. 半导体激光测距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

11、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 1.064m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。4. 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

12、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

13、，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。5. 半导体激光瞄准和告警半导

14、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

15、，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 300600m 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 0.451.65m，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

16、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。6. 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