光电检测14

第六章：发光与耦合器件第一节激光器第二节发光二极管第三节光电耦合器件第一节激光器一激光产生的原理二激光技术的应用三激光对抗与防护主要内容LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激辐射光放大镭射：LASER的音译什么是激光？5激光特点激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内.6.6.1激光的产生机理光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关连，当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子。激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。1）光与原子的三种相互作用A）受激吸收（简称“吸收”）处在低能级E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级的过程。E2E1h1、受激辐射B)自发幅射E2E1E3L1hEE12处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过程。自发幅射的光是非相干光C）受激幅射：（1917年爱因斯坦提出）处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。E2E1外来光子受激幅射光子与外来光子频率相同、相位相同、偏振方向和传播方向相同。特点：受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位且实现光放大！2、激光的产生过程且粒子数正常分布是：激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射和吸收，为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2能量粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的能量；2）原子在激发态多“呆”一会；3）减小损失，不断放大。粒子数反转状态E1E2实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光放大的条件：有足够的能量输入系统--激励源激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称“激发”、“抽运”或“泵浦”）。E1E2A）光泵抽运如红宝石激光器E1E2B）电子碰撞----------如氩离子激光器电子C）化学反应如氟化氘激光器等。D）共振转移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。全反射镜R1=100%部分反射镜R2=98%工作物质只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大，这是一种雪崩式的放大过程。激光输出谐振腔3.谐振腔要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的光学谐振腔。全反射镜半反射镜实物图原理图构造：工作原理：激光工作物质激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理振荡过程中有损耗：工作物质的吸收、散射等反射镜反射率低于100%必须要光放大大于损耗，才会有激光输出构成激光器的三大必要条件：1.激励能源（泵源）2.工作物质实现粒子数反转分布（激活介质）3.谐振腔（正放大）按激光器工作物质性质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。一、气体激光器工作物质：He-Ne，CO2，N2等工作物质：Ne——发光物质He——辅助气体通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。特点：1.单色性好；2.方向性好；3.结构简单He：Ne=57：波长：3390nm1150nm632.8nm激光器的种类二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等工作物质：Al2O3晶体基质中掺0.05%Cr+++形成通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转。特点：1.小而坚固；2.脉冲激光；3.工艺复杂工作物质：固体激光实验装置微型固体激光器三、半导体激光器特点：1.体积小；2.质量轻；3.消耗小；4.单色性差。工作物质：半导体材料如砷化镓激光器在PN结工作区通过电注入法实现粒子数反转分布，晶体自然界面构成谐振腔平面半导体激光器三、激光的应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；芯片刻蚀等。医疗：最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；美容；外科手术等。科研：全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目；光镊、冷冻原子确定地月距离阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。日常生活条码扫描照明、成像通讯激光通信以激光作为载波传递信息的一种通信方式。1）大气激光通信构造：调制器Laser放大器光电转换器解调器放大器发射机接收机发话器受话器发射望远镜接收望远镜大气传输优点：结构简单，通信轻便。保密性好，抗干扰能力强。缺点：在大气中传输，激光衰减严重，天气影响大，且只能直线传播，通信受到限制。2）空间激光通信卫星间的通信。在接近真空的环境下进行的激光通信，如卫星与激光在真空中传播衰减小，可用小功率激光器实现远距离通信。优点：Laser3）水下（对潜）通信利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。美国于1981年在圣地亚哥附近海域上空1200米与水下300米处潜艇用兰绿色激光通信并获成功让载有信号的激光束通过光导纤维传输至对方以实现通信的方法。4）激光光纤通信50m100m皮心子（石英）光导纤维光缆光放大器光缆郑州传导原理：全反射优点：1）通信容量大；每路电话占用4000Hz频道，每路电视占用10MHz频道。激光载波频率高达几百兆兆赫。可同时容纳上千万套电视，更多路电话；2）不受电磁、核爆炸的干扰，且噪声低，失真小；3）保密性能好；4）成本低，重量轻；用途：1）远距离的战略、战术通信系统；2）中距离的局部通信系统和C3系统；3）空中布缆及飞机、舰艇、雷达、导弹卫星、飞船内部的信息和通信连络等。激光的军事应用一、激光测距二、激光制导三、激光武器1、激光测距激光测距的原理是：通过向目标发射激光信号，根据激光信号往返于测点与目标之间所用的时间而求出距离的。激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。2、激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导弹、炮弹、航空炸弹等导向目标的技术。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到广泛应用，是精确制导武器的一种重要制导方式。激光制导原理用激光器发射激光束照射目标,装于弹体上的激光接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光信号,算出弹体偏离照射或反射激光束的程度,不断调整飞行轨迹,使战斗部沿着照射或反射激光前进,最终命中目标。激光制导炮弹的成本约为普通炮弹的5倍，而效率比约为普通炮弹的40倍。激光制导炮弹最大缺点是受气候条件制约，不能全天候、全时日地使用。1）激光波束（驾束）制导制导原理：装置：A--激光照射器；B--导弹发射器；C--尾部带有激光接收器的制导导弹。ACB激光器向目标照射激光导弹发射器发射导弹，导弹尾部激光接收器接收激光束信号，依接收的信号强弱使导弹保特在激光束中，直至命中目标。B弹体2）半主动式激光制导导引头控制45678123构造：A）激光照射器B）导弹发射器C）装有“寻的器”的导弹1--滤光器；2--透镜；3--光敏远件；4--放大器5--计算器；6--自动驾驶仪；7--舵面伺服仪。８－电源弹体导引头控制456781231--滤光器；2--透镜；3--光敏远件；4--放大器5--计算器；6--自动驾驶仪；7--舵面伺服仪。四象限器导弹保特原飞行方向发出纠偏信号，改变导弹飞行方向，指向目标。发出纠偏信号，改变导弹飞行方向，指向目标。半主动式激光制导过程是目前较成熟的一种激光制导方式，多用于对付地面目标。如激光制导炸弹、炮弹、空地导弹等。3）全主动式制导激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上。作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标。目前尚不很成熟！“空地精灵”之“宝石路”激光制导炸弹在海湾战争中，两架F-15E曾各自携带8枚GBU-12在30分钟内摧毁了伊军16辆坦克，还曾使用该炸弹从通风口钻入一个伊军加固掩体内部并将其摧毁。“宝石路”ⅡGBU-10907公斤炸弹“宝石路”ⅡGBU-12227公斤炸弹，是美军现役最小的激光制导炸弹。“宝石路”ⅡGBU-16454公斤炸弹“空地精灵”之“宝石路”激光制导炸弹挂装完毕的“宝石路”ⅢGBU-24，可以看出其采用了更大视场的高灵敏度激光引导头。3、激光武器利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。根据激光器输出功率的大小，激光武器可区分为低能激光武器和高能激光武器两大类。高能激光武器也称死光武器，它是借助于激光束的热能直接摧毁目标，可用于打击导弹、卫星、坦克、飞机等。战略反导激光武器低能激光武器低能武器主要指激光干扰与致盲武器，它是重要的光电对抗装备，主要用于干扰和致盲敌方的光电传感器和敌方官兵的眼睛。电源1）低能激光武器（激光轻武器、单兵激光武器）A）激光手枪第一支激光手枪是用红宝石激光器制成的用途：可在几米内烧毁衣服、皮肤且无声响。也可使人在不知不觉中致盲，近距离内引爆，破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器。B）激光枪用途：可在更远距离内使人致盲引爆。破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器且无声响、效益高。现状：1978年就制造出来了第一支激光枪。美国洛克希德.桑德斯公司开发的AN/PLQ--5激光对抗装置。在海湾战争中亮相。美国研制的AN/PLQ-5激光对抗装置，安装在M16A2步枪上，总重11.6Kg，电池包重7.6Kg，可供了射3000次电力海湾战争中已将其布置在战场上。据称可破坏2Km外敌方光学传感器，对人当然可起到致盲作用。C）激光致盲器发射一较强激光，烧坏敌人眼睛，使之致盲的武器激光致盲器是目前真正进入实用阶段的激光武器。呀！我的眼看不见了！“魟鱼”激光致盲武器激光弦目描准具（英国）是一种激光致盲描准具，1982年马鸟战争期间安装在“竞技神”号战舰上，不料实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。在军事上其他方面的应用激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。反激光武器引：有矛就有盾，伴随着激光武器的产生，各国也正在研制反激光武器。激光防护的措施激光干扰利用各种手段干扰各种激光武器的正常工作。1）无源干扰利用烟幕、气溶胶、尘土、光泊条、气球干扰转发机。如美产“坦克自身用快速用烟幕系统”；可在两分钟内形成宽百米、高10米厚5米的烟墙壁又如美产直升飞机快速烟幕系统--可产生宽几公里、持续5分之久的烟墙。3）致盲、压制式干扰机--干扰兼软杀伤。用强激光使敌方作战人员致盲，破坏敌人光学观测系统、测距机、激光跟踪器等。如美国产：光学及光电对抗系统（魟鱼Stingray、跑路者Rodrumer）激光致弦器（DAZER9Kg重）前沿激光武器（FALW）前西德产：高能激光防空坦克魟鱼（Stingray）系统美国洛克希德.桑德斯公司开发的AN/PLQ--5激光对抗装置。也是一种致盲兼软杀伤武器