激光的发展历程及应用(2)

马公司的C-130H运输机等作为ATL的空中平台,甚至可能包括地面车辆,如5t的卡车或陆军的FCS未来战斗系统。在机载战术激光武器的作战高度,激光废气处理系统所排放的激光气体无法直接与外部环境气压相适应;因此, ATL必须采用密封式排气系统,将激光排出的废气吸收,而不排入大气。该系统基本上是一个充满冷沸石的箱子。沸石为沸石族矿物质的总称,是一种工业原料,广泛用于分离处理过程中产生的杂质。在ATL作用时,沸石将激光气体吸入其内部微结构,吸入的激光气体约占沸石自身质量的20%,在液态氮的温度下,沸石上的气体压力很低,足以抽吸激光废气。沸石通过加热可再生循环,分离被吸收的气体,尔后又被冷却和再利用。由于结构紧凑的氧碘化学激光器装置采用液态氮作为稀释剂,所以密封式排气系统就可以封住所有激光排放的气体。激光废气处理系统的优点就是能让整个高能激光器变得非常紧凑,从而可装在各种移动的空基、陆基工具上。2002年,波音公司将该装置作为紧凑型密封式高能激光器以20kW的功率进行了验证,并取得了很好的效果。

由于机载战术激光武器的作战环境在大气底层,因此ATL的作战问题受气象条件影响较大,对作战环境要求比较苛刻,云层、尘埃、海浪、雾气都能对激光束造成干扰。ATL目前对此的办法不多,最有效的就是尽量避免在恶劣的气象条件下作战,同时运用多年积累的气象数据库,有效预测机载战术激光武器在特定作战环境下的天气情况。例如,在波斯湾,气温高、湿度适中、云层厚、能见度在大部分时间受到沙尘的影响;在朝鲜半岛,冬季和夏季的气候变化很大,冬季寒冷、晴朗,夏季炎热、潮湿且天气多云阴暗。在这两个地区, ATL只能在50%的时间里杀伤范围大于20km。在波斯湾,有10%的时间其杀伤范围超过了24km, 10%的时间小于16km。在朝鲜半岛的沿海气候条件下,差异更大, 10%的最好时间里其有效范围超过30km,但在10%的最糟糕天气时间里有效范围不到8km。由此看来,ATL的使用标准将依据气候条件和作战任务要求制定,以达到适时、合理使用的目的。

2.航空航天

激光在航空航天领域有着广泛的应用，在此，我们主要要介绍的是现今处于研究前

沿的激光点火、推进和控制燃烧的技术。

（1 ）激光点火

激光点火技术作为一种新型的点火技术已越来越受到各个国家的重视。当激光强度足够高、光斑直径足够小、辐射热流密度足够高时，热吸收速率就会远远大于热扩散速率而使能量迅速积累，从而使激光点火成为可能。这种技术使燃料在低温条件下实现爆震燃烧成为可能，大大提高了普通发动机达到超音速飞行推力。一般，点火过程受AP的表面积、燃烧推进剂、初温和热流密度等因素影响较大，而激光点火能够独立于初温以及气体组分等环境参数选择热流，具有很高的可比性[1]。俄专家为了证明该技术的有效性，使用燃烧性能差、在1000摄氏度时才能燃烧的甲烷进行了实验，发现激光可使甲烷在 300-600 摄氏度的低温条件下燃烧。

（2）激光推进

激光推进技术是将激光的能量转化为飞行器初能而飞行器自身不用携带燃料的一种新型的推进技术。激光推进方法于1971年首次提出[2]，现今已经成为国际上日益引起关注的先进推进技术之一。主要分为两种方式：一是利用激光和工质相互作用产生推力。它包括空气吸气模式和烧蚀模式[3]。二是利用激光显著的光压效应产生推力，即借助太阳光压来推动飞船，实现无燃料航行。

（3）激光控制燃烧

激光控制燃烧技术是一种随着航天航空技术要求的提高而产生新型燃烧控制技术，指的是采用激光维持燃烧设计，可任意节流和熄灭 - 重起燃烧的推进控制方法。在推力器的设计上，“非自主燃烧推进剂”的燃烧由激光照射控制，激光照射时燃烧进行，反之，燃烧就会停止。用这种方法，可制成高效率的非自主燃烧推进的激光控制的微型推力器。实验表明，在 1kpa-100kpa的背压下，固体推进机的燃烧可由5w-30w 的激光照射控制，燃烧能任意中止和重启，推力可任意调节[4]，因此大大提高推进系统

的性能，有极大的发展潜力。

3.激光侦察与反侦察

激光侦察与反侦察的手段主要有激光测距、激光雷达、激光报警、激光隐身等等，他们在原理上都很相近甚至相同。

（1 ）激光测距

激光测距在技术途径上可以分为脉冲式激光测距和连续相位式激光测距。其中，脉冲式激光测距是指向目标发射激光信号，重要文物、金库等重要地方，两种报警器在

原理、构造上并无差异。激光反偷拍是激光侦察的一种民用化的技术，也可以说是激光反狙击的民用化。同激光反狙击一样，激光反偷拍也是利用红外激光逐层扫描寻找目标，一旦接受到由目标反射回来的特定的信号，反偷拍系统立即相应，沿原光路射出一道一定强度的激光使正在工作中的摄像仪拍得的像模糊不清甚至直接损坏摄像仪中碰到目标就被反射回来，由于光的传播速度是已知的，只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以二分之一，就是所要测量的距离。连续波相位式测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从其往返中造成的相位变化，换算出距离。其中，连续相位式激光测距仪主要用于短距离测距，而脉冲式激光测距仪主要用于长距离激光测距。这一技术的军转民成果是将军事激光测距仪的简化，它们的区别仅在于民用的激光测距仪较军用的装置简单，精密度略底，而这些主要是基于经济适用方面的考虑。

（2 ）激光雷达与激光测速 雷达的分辨率与波长有关，波长越小分辨率和精度就越高。激光雷达工作在光波段以激光来探测目标，较微波雷达在高精度和成像方面都占有优势。激光雷达在分辨率上可以达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近 100 倍，在测角速精度上，理论上比微波雷达高一亿倍以上。目前军用激光雷达主要应用于飞机导航和来袭导弹或飞机的定位与测量上。民用的激光测速仪是激光雷达的简化装置，目前已经应用与交通管制时的车速检测等方面，由于工作原理的不同，激光测速仪较原有的微波测速仪有着独特的优势。

（3 ）激光报警与激光反偷拍

激光报警是利用安放在隐蔽处的激光发射装置发射出一束红外激光，通过扫描并探测分析回波或在另一侧有接受装置，若接收正常则平安无事，若接收异常系统则自动报警，目前激光报警系统主要应用于对重要军事设施的秘密监视以及反狙击、反反狙击等方面。激光报警技术本身就是一种军民两用技术，在军事上可以承担重要军事设施，军事地段的警卫任务，在民用上亦可以用在

的光电器件，由此达到反偷拍目的。目前，激光反偷拍仪器尚处于研制阶段，市面尚暂无方便适用的激光反偷拍仪器，其研究难点在于如何准确无误地捕捉目标并把握激光光强对偷拍仪器的损毁程度。

4.激光制导

制导指的是控制和导引飞行器，使其按照选择的基准飞行路线进行运动的过程。目前在军事领域采用的制导方式主要有卫星制导、惯性制导、地形匹配制导和激光制导。作为主要的制导方式之一，激光制导是以激光作为传递信息的工作物质的制导，依靠寻的器，自动跟踪激光目标指示器射向目标反射回来的激光束。激光目标指示器发射的激光始终瞄准所要攻击的目标，弹头的光探测器锁定在反射激光束上。探测器接收的信息经处理控制尾翼，使导弹调整其飞行路线，精确命中所要攻击的目标。激光制导以其具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点被各国军事家所看好。现今已有大量激光制导武器装备部队，如激光制导导弹、激光制导炮弹和激光制导鱼雷等。激光制导根据其制导方式的不同可以分为半主动制导、主动制导和波导制导。目前制导的方式以半主动制导和波导制导为主，各大军事强国都正在积极开发高性能目标捕获跟踪和激光指示系统、开发小型化激光雷达导引头、提高武器系统的抗干扰能力和生存能力以实现激光自主制导。

5.激光通信

像微波雷达与激光雷达的差别一样，通信领域也能从微波范围转向可见光范围。激光通信是以激光为载波，自由空间为传输介质的通信技术。在远距离信息传递方面，激

光通信因其波长短，发散角小，在接收器处可获得以数量级提高的功率密度，对于光的自由空间传输，只需要较小的望远镜和极低的发射功率；并且还可以利用光进行极高密度的数据率传输。同样，由于激光的波长短、发散角小，用于激光通信的天线可做得很小。此外，激光通信对对潜通信尤为重要，目前激光通信网络已经得到了大规模的建设。与此同时，光电探测器构建的直接耦合FSO系统在运行的过程中存在一些缺点，我们必须及时解决。主要缺点包括：

1）激光发射器发射的光束由于散射角不同，造成了光斑粗糙，因此我们需要对现有的激光发射器进行优化，使其达到发生圆由于蓝光或绿光穿透海水时衰减最小，波长为0.47～0.54m 的蓝光经过100m深度传播，其损耗仅为其他波长的 1/100。蓝绿光在海水中的穿透能力可达 600m 以上，其传播方向好，不易被敌方截获，且隐蔽安全，也就极大地提高了海军的其生存能力。然而，激光通信也有一些不足之处，例如激光强度在传输介质中的衰减，激光束的发散问题等，这一问题的克服有待于激光技术的进一步发展。

目前激光通信技术从诞生以来，已经经过 30 多年的发展历史，在激光通信技术发明之初，由于配套技术跟不上，导致了激光通信技术的发展受到了制约。激光通信技术的配套技术主要包括元器件制造技术、系统构建技术以及大气信道传输技术。另外，由于有线传输技术——光线技术的大力发展，激光通信技术在一段时间内并未得到重视和大规模的应用。但是随着通信领域新技术的快速发展以及元器件制造技术、系统构建技术和大气信道传输技术的逐渐成熟，激光通信技术的发展具备客观的条件和有力的支撑。并且由于光纤通信技术受到了传输范围和地域限制，为了实现全方位的通信，激光通信技术的优点逐渐受到了人们的重视，对激光通信技术的研究重新纳入到了科研机构的议事日程。目前来看，激光通信技术的发展主要建立了两个方面的系统：

(1)利用光电探测器构建的直接耦合 FSO 系统

目前光电探测器构建的直接耦合FSO系统属于激光通信技术中的主流技术，在欧美国家得到了广泛的应用。其中最成功的案例是在悉尼奥运会上，利用光电探测器构建的直接耦合 FSO 系统实现了激光无线数据连接，保证即时的数据通信。考虑到光电探测器构建的直接耦合 FSO 系统的优点，

高斯光束的目的。

2）接收端的OE转换单元的数量随着带宽的增大而增加，无形当中增加信号接收转换的成本，因此我们必须提升 OE 转换单元的功能，减少其使用数量。

3）由于激光通信设备的发射和接收装置均放置在建筑物顶部，安装和维护存在一定困难，因此我们要制定相应的安装和维护技术措施，降低安装和维护难度。

(2)利用光纤传输技术构建的光纤耦合 FSO 系统

在光纤耦合的 FSO 系统内，实现了激光通信技术与光纤技术的融合，有效利用了光纤通信技术的优点。其应用过程主要是通过激光发生器发射高斯光束，经过耦合后沿着光纤进行传播，在发射端和接收端都采用光纤进行传输的方式，这样以来，可以减少建筑物顶端的激光通信设备数量，便于系统安装和维护。除此之外，利用光纤传输技术构建的光纤耦合FSO 系统还具有以下优点：

1）减少了转换过程，降低了数据转换带来的额外成本。使每一个链路内的接口减少为 2 个，提高了链路传输效率。

2）简化了升级和维护的过程，如需增加传输带宽，仅仅需要调整室内系统即可，省去了重新在硬件设备上对准调试的过程。

3）实现了激光通信技术与光纤技术的融合，减少了激光通信技术中繁琐的设备设置和调试，对光纤通信的发射和接收装置进行了有效利用。

6.飞行姿态定位

激光对移动目标的姿态定位分析主要是依靠激光陀螺仪。激光陀螺仪是一种基于萨格奈克效应，以双向行波激光器为核心，依靠环行波激光振荡器对惯性角速度进行感测的量子光学仪表，是一种高精度的惯性

元件。由于战争对武器自动化、机动性和准确性的要求越来越高，激光陀螺逐步替代传统的机械陀螺成为新一代应用于战术导弹、1990.12

[7]陈秀娥.西欧激光发展概况. 《国外激光》1990.12

中近程火箭、火炮瞄准线稳定等的坚固、廉价的传感器。目前世界上研制和生产激光陀螺的主要国家有美、英、德、法、日本和俄罗斯。今后几年激光陀螺技术本身将主要向更高精度、更高可靠性的高要求方向和体积更小、价格更便宜、结构更牢靠的超小型战术应用发展。虽然激光陀螺相对机械陀螺等其它陀螺有着很大的优点，但也并不是十全十美，尚存在一些需要解决的问题。例如:自锁效应；高性能与高成本的矛盾；高性能与小型化的矛盾；零点漂移等等。激光陀螺的性能尚有待于进一步提高。 四．总结

激光在军事上除上述应用外还有许多其他应用，诸如激光拦截、激光防护、激光对抗、激光引信等等，这些应用不仅可以提高现有常规武器的精确打击能力，还可为军队提供新型战术战略武器。它们的成功应用将大大提高军队在高技术战争中的对敌打击与自我防护能力。同时，激光的民用化成果也大大促进了民用科技的迅速发展，如激光测速、激光防伪、反偷拍等都将逐步替代这些领域原有的仪器或技术。相信随着科学技术的不断进步，激光必将得到更加广泛的应用。

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