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激光原理论文姓名：沈秋平学号：2014326690014班级：应用物理（1）班指导教师：楼益民2016年11月制激光原理论文2激光在军事国防中的应用摘要自从进入21世纪以来，科学技术的不断发展催生了一批批的高新技术产业，使得军事界发生了一场重大的军事变革，从近年来爆发的现代高科技局部战争可以看出：军队逐渐在由“体能型”向“智能型”的方向发展；由纯粹的兵器对抗向作战体系之间的对抗的方向发展；由单纯的防守型向攻防兼并型方向发展；由临空、近距离作战向防区外远距离作战发展，因此未来的战争对制导武器的发展提出了更高的要求：必须建立完善的作战系统，具备在复杂的气象和电磁环境条件下以及在更远的射程上对不同目标精确打击能力[1]。激光武器作为20世纪重大发明之一，自1960年首次问世以来，经过半个世纪的发展，科学家不断地攻关克难，最终激光技术从原理、实验手段到制备工艺系列流程日趋成熟，发展极为迅猛，并且为科学技术进步与经济发展做出了极大的贡献[2]。作为一门新颖的科学技术，其发展之快已经渗透到了各个领域，对物理学、化学、生物学、医学、工艺学、园艺学以及检测技术、通信技术、军事技术等都产生了深刻的影响。众所周知，重大的科技成果首先是应用于军事，而激光技术也不例外，其军事应用效果显著，在雷达侦查、激光测距、定向能武器、导弹制导、航空航天、电子对抗、激光隐身、激光通信等方面的应用使得军队智能化程度大幅提升，同时信息战争也站上了历史的舞台。回望过去十几年间发生大大小小的局部战争可见，国防建设中军队信息化发挥了巨大的作用，在战况紧急的战场上能否迅速准确地获取敌人的信息是决定胜败的关键。基于科索沃、越南、海湾等现代战争中美国军队的表现和经济实力，我国逐渐加快了军队现代化的进程，促进军队智能化，更具机动性和应变性。结合国内外的激光军用状况作了一些报告，并对激光的军事应用前景作了分析。关键词：激光技术激光制导干扰对抗国防军事发展前景激光原理论文3引言科技发展迅猛的时代，任何高新技术的应用首选舞台都离不开军事领域，激光器等技术均已日趋成熟，激光日益受到各大军事强国的重视，并且有望成为未来军事技术发展中最为活跃的领域之一。激光技术已经广泛应用于侦察、对抗、制导、通信等诸多的军事领域，有效地提升了军队在现代高技术战争的打击和防御能力。本文主要从激光技术原理切入，结合国内外激光技术军事应用状况，重点讲解激光技术在军事领域出色的应用，总结了激光技术军事方方面面的应用，并且对激光技术的前沿发展进行了一定的总结。一、激光原理介绍激光自上世纪发明以来，无论是理论还是实验都已经获得迅速发展。作为一门新颖科学技术发展极快，迄今已渗透到几乎所有的自然科学领域，对物理学、化学、生物学、医学、工艺学、园艺学以及检测技术、通信技术、军事技术等都产生了深刻的影响。而作为发展极快的一门新兴技术，它的应用范围及发展前景也是广阔的。1.1、激光技术概念激光技术结合了原子物理、光学技术、量子理论和电子技术等基础理论的一门高新技术，其中包括激光器技术和激光应用技术，这些技术已经在工业、农业、医疗卫生、宇航等范围得到了广泛的应用，然而在军事领域的应用显得尤其明显。1.2、激光原理阐述激光的形成是基于爱因斯坦提出的受激辐射理论，当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按玻尔兹曼统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转[3]。理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转，若原子、分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，E2激光原理论文4和E1能级上的粒子数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2N1，所以自发吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2N1，这种状态称为粒子数反转状态。产生有三个条件：①有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；②有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，是上下能级之间产生粒子数反转；③有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性[4]。1.3、激光特点由于激光器的原理构造，使得激光与普通的光源相比具有很多本质的不同，且在宏观上的表现出许多优势。①单色性好（激光波长基本一致，波宽很窄颜色很纯）；②亮度高（激光的发射能力很强且能量高度集中）；③方向性好（光线发散角特别小）④相干性好（激光源是受激辐射光，具有极强的相干性）二、激光军事应用2.1、雷达侦察与通信首先古语云：知己知彼，百战不殆，于是军事侦察成了制敌的关键手段之一。随着军队信息化的进程不断推进，军事侦察技术也有了极大的提升。激光侦察是在战前进行的一系列战略活动，目的在于最大限度获取某地区内，敌方各种激光源的情报资料,包括对它们发射的信号进行探测、定位、识别,并记录下它们的发射信号参数。根据这些参数,即使看不到激光源,也能把它的类型识别出来。主动侦查通过发射激光来扫描战区,分析和提取目标回波,以便在各种人工和自然背景中发现感兴趣的战术目标[5]。还有利用激光技术进行多光谱摄影（含全息影像），可以识别伪装目标。利用各种物体对激光激光原理论文5的反射和吸收能力不同，可以引起底片的感光能力，从而实现对目标的侦察。军事侦察方式有很多，目前比较受欢迎的是激光雷达侦察，激光雷达在原理上与传统无线电雷达基本无异，均是利用雷达发射系统发射一个信号，经过目标反射而被系统收集，通过测量反射光的返回时间可以求出目标距离，而对于目标的径向距离可以通过反射光多普勒频移进而得出结果，或者通过测量多个距离计算其变化率而求出速度[6]。2.2、激光测距激光充分利用了激光方向性的优势，存在三种的测量方法：激光脉冲测距和连续波测距（根据激光状态分类）；相应激光测距和调频激光测距（根据激光起止时刻）。激光测距具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距[7]。2.3、电子对抗激光干扰分为有源干扰和无源干扰[8]。激光无源干扰是利用本身不发激光的器材散射(或反射)、吸收激光,形成假目标,干扰屏幕或转发原激光信号,以阻碍或削弱敌方光电设备和武器系统的效能的技术措施。目前主要使用的无源干扰器材有烟幕剂和光箔条。此种武器在美国发动的海湾战争、越南战争中均有大规模使用。且目前有的国家已经研制出对抗可见光至远红外波段,甚至包括毫米波的宽频带多功能烟幕。激光有源干扰是指有意发射或转发激光,对敌方光电设备和武器系统进行压制或欺骗的技术措施。压制性干扰即用强激光干扰、致盲以至摧毁敌方光电设备、人员和武器系统,如瞄准镜、微光夜视仪、红外热像仪、激光测距机以及光电导引头等。目前激光干扰致盲技术已经成熟,且设备的种类繁多,从便携式到机载、舰载式,有的型号已装备部队。如美国的“Stingray”车载激光致盲武器在海湾战争中投入使用,被安装在布雷德利战车上,该武器能破坏8公里远的光电设备。据报道,在马岛海战中,英国就使用了激光眩目瞄准具使阿根廷飞行员致盲,致使分机坠毁[9]。再如美国的AN-GLQ-13车载激光对抗系统就属于该类装备,它由激光侦察告警、激光有源干扰和激光无源干扰分系统组成。激光原理论文6激光欺骗干扰系统的主要关键技术是:高灵敏度宽波段激光探测、实时编码(尤其伪随机码)识别和参数稳定激光器技术。2.4、激光隐身[10]激光隐身是通过减少目标对激光的反射信号，使目标具有低可探测性。其主要出发点是减少目标的激光雷达散射截面（LRCS）和激光反射率。激光隐身技术一般采取的手段有外形技术和材料技术：外形技术主要是通过改变目标的几何外形，以减小其激光散射截面。材料技术主要在激光隐身材料的设计及制备方面，设计出具有高吸收、低反射的材料体系，并制备出吸收性能好的隐身材料。2.5、航空航天激光推进火箭已经成为世界各大军事强国的发展目标，用来作为发射卫星和火箭的动力的新方法在20世纪70年代初提出的，直到1997年，在美国新墨西哥洲的沙漠里，一支完全没有安装任何发动机的小型火箭突然拔地而起，在上升到20多米高度之后，从天上坠落而下，尽管如此，这一成果开启了激光推进火箭的新方式，创新了航天动力家族的推进方式，将航天航空提升上了另一个新的台阶。当时在科学界引起了巨大的轰动[11]。激光推进火箭发动机采用的是吸气式循环发动机。利用设在地面的强激光器将功率几十兆瓦的强激光束射向火箭，经三级聚焦透镜聚焦后发射出直径为2cm的激光束，射向柱形喷管，使其中的气体介质被急剧加热到约4000℃的高温，从而使气体分子电离形成等离子区，在纳秒之间输出10000J的能量，可将气体介质加热成10000eV的等离子体，结果压力急剧升高到几百个大气压，发生微型爆炸，产生冲击波，由此产生的反作用力，把火箭推向高空，最终把载荷送入预定轨道，如图1所示。激光原理论文7作为一种高效的注入方式，激光推进技术有效的将降低了卫星火箭发射的成本，并且提高了火箭的有效载重，更为重要的是此发射方式安全可靠且污染小。目前此项技术在美国阿波罗计划中已取得巨大的成功，但仍有许多的技术问题有待突破：如何加工制成耐高压耐冲击的大尺寸激光透镜、强激光的大气传输、如何控制高温等离子体等等。2.6、导弹制导激光制导是利用目标反射的激光来探测、跟踪目标并控制导弹飞向目标的制导技术。激光制导具有制导精度高、目标分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻等优点。但激光光束易受云、雾和烟尘的影响,不能全天候使用,如它与其它制导系统组合,将具有更加广泛的用途。根据其制导方式的不同，激光制导总体分为三种：激光架束制导、激光主动制制导和激光半主动制制导[12]。激光架束制导是采用激光照射器发射含有方位信息的四象限光束，并以光束中心指向攻击的目标或前置点。导弹沿发射站和目标之间的瞄准线发射并进入一宽光束。导弹尾部的接收装置将光束内的方位信息转变为导弹的飞行控制信号，从而引导导弹命中目标。尽管此项制导技术已经提出多年，但这方面的研究却是时起时落，以至于真正的架束制导导弹的型号甚少[13]。而对于另一种激光主动制导方式，其原理与上述的架束制导就有着很大的差异，它是将激光照射器和目标寻的器都装在弹上，由激光照射器发射激光，目标寻的器接收目标反射回波，通过弹上控制系统将弹体引向目标。其采用发射后放心的方式，预先将打击目标的激光成像特征存储于导弹内部，采用主动式成像方式，通过激光扫描，获得目标的三维图像，用来对目标进行细致观察。由于分辨率很高，故可以很轻松地从图像中分辨出目标的型号和毁伤程度，有选择地攻击目标，从而实现实时的智能化打击。美军正在使用的“LOCAAS”导弹就是采用了此制导方式，从而打开了新一代导弹的研制的大门，并且开启了无人机载导弹的先驱[14]。第三种制导方式激光半主动制导，此类武器一般直接采用激光照射平台和炸弹、导弹发射平台分离的方式，激光发射机作为制导信号源装载在地面、车船或飞机等运载工具上