非致命激光器激光源的選擇與研究

廖棟智

摘要：介紹了當(dāng)前激光器的構(gòu)成及分類(lèi)，指出不同種類(lèi)激光器的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析激光炫目損傷因子，找出非致命激光波長(zhǎng)覆蓋范圍和激光器輸出功率，并將常用激光器主要性能進(jìn)行比對(duì)，得出半導(dǎo)體激光器和光纖激光器是適合非致命激光武器的激光源。

關(guān)鍵詞：非致命；激光器；選擇

1960年，美國(guó)科學(xué)系Maiman成功研制出世界上第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器[1]，從此激光領(lǐng)域研究開(kāi)始迅速發(fā)展。由于激光具有優(yōu)異的相干性、單色性和方向性，其亮度比普通光源高1000倍，因此激光器在光電對(duì)抗、激光致盲、材料加工及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的用途[2]，也成為軍事領(lǐng)域研究不可分割的一部分。

非致命激光武器（也稱(chēng)激光炫目武器）是利用低能激光束作用于人眼，使人眩暈、暫時(shí)失明，從而失去抵抗能力，但不會(huì)造成永久性損傷的一種非致命武器[3]。受1996年《日內(nèi)瓦公約》禁止使用永久性致盲武器的限制，非致命激光武器作戰(zhàn)效果應(yīng)包括兩個(gè)方面：一是造成人眼短暫失明，暫時(shí)失去抵抗能力；二是不會(huì)造成永久性傷害。激光器作為非致命激光武器的核心部件，不同種類(lèi)激光器作用范圍和效果大不相同，為更好滿足任務(wù)需求，選擇哪類(lèi)激光器作為激光源變得十分重要。

一、常見(jiàn)激光器的構(gòu)成及分類(lèi)

激光器發(fā)展至今種類(lèi)繁多，按工作介質(zhì)的不同，通常激光器可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6類(lèi)[4]；按激勵(lì)方式的不同，可以分為光激勵(lì)激光器、放電激勵(lì)激光器、化學(xué)激光器和核泵浦激光器4類(lèi)；按輸出功率的不同，可以分為小功率激光器和大功率激光器。本文主要按激光器工作介質(zhì)的不同進(jìn)行劃分，除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，主要由泵浦源、諧振腔以及激光工作物質(zhì)組成，如圖1所示。自由電子激光器主要由電子束注入器、扭擺磁鐵以及光學(xué)諧振腔組成，如圖2所示。各類(lèi)激光器工作條件和工作物質(zhì)各有差異，采用的激勵(lì)方式也各不相同。常見(jiàn)的激勵(lì)方式有化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)和光學(xué)激勵(lì)[5]。其工作的本質(zhì)就是使粒子數(shù)目產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，在受激輻射后使激光發(fā)生放大并按指定方向輸出。

（一）固體激光器

固體激光器是最為常用的一種激光器，一般以光為泵浦源，工作介質(zhì)為玻璃或者絕緣晶體。主要分為可調(diào)諧、高功率以及二極管泵浦三種類(lèi)型，使用頻率較高的有紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極管抽運(yùn)固體激光器以及可調(diào)諧固體激光器等。其中鈦藍(lán)寶石激光器震蕩波段范圍較廣，紅寶石激光器波長(zhǎng)主要在可見(jiàn)光[6]，其余震蕩波段大都在紅外。固體激光器研制時(shí)間早，具有器件小，使用方便，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，但由于冷卻裝置限制，其方向和應(yīng)用前景也取決于對(duì)廢熱管理的改進(jìn)程度[7]。

（二）氣體激光器

氣體激光器是利用氣體作為增益介質(zhì)的激光器，一般是對(duì)氣體放電進(jìn)行泵浦。按照工作粒子的差異性，可以將氣體激光器分成分子、原子、離子以及準(zhǔn)分子等不同類(lèi)型[5]。常見(jiàn)的氣體激光器包括CO2激光器、He-Ne激光器、N2分子激光器[8]。不同增益介質(zhì)波長(zhǎng)震蕩范圍不同，其中CO2激光器能量轉(zhuǎn)換率高，應(yīng)用相對(duì)廣泛。該類(lèi)激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但體積龐大、使用壽命短等缺點(diǎn)不容忽視[9]。

（三）液體激光器

液體激光器工作介質(zhì)一般為激光染料，因此也叫做染料激光器[10]，是指在激光光源作用下產(chǎn)生的一種新的可調(diào)諧波長(zhǎng)激光的染料，目前能夠溶于酒精、苯、丙酮、水或其余溶液的染料大概在500種左右。相比氣體和固體的激光介質(zhì)，染料激光器可以用于更廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)[11]。但由于其介質(zhì)壽命短，有機(jī)染料搬運(yùn)和存儲(chǔ)困難，基本被鈦藍(lán)寶石等波長(zhǎng)可調(diào)的固體激光器取代。

（四）半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器也叫激光二極管，工作介質(zhì)一般為半導(dǎo)體材料。常用的激勵(lì)方式有光泵浦、電注入和電子束激勵(lì)三種形式。半導(dǎo)體二極管激光器由于具有體積小、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)和使用方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最實(shí)用的激光器[12]。其波長(zhǎng)覆蓋范圍較廣，但是輸出光功率和波長(zhǎng)極易受工作溫度和驅(qū)動(dòng)電流影響[13-14]，早期光束質(zhì)量較差，現(xiàn)已達(dá)到較高水平。

（五）光纖激光器

光纖激光器是指采用摻雜光纖作為增益介質(zhì)的激光器，與固體激光器類(lèi)似，其輸出波長(zhǎng)與摻雜元素相關(guān)，一般位于近紅外區(qū)域。光纖激光器具有電光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于系統(tǒng)集成、性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)[15]，但光纖容易發(fā)生非線性光學(xué)效應(yīng)，這將限制單根光纖激光器輸出功率，光束合成有一定優(yōu)勢(shì)也有潛在局限性[16]。

（六）自由電子激光器

自由電子激光器是一類(lèi)不同于傳統(tǒng)激光器的新型高功率相干輻射光源，它不需要固體、液體或氣體作為工作物質(zhì)，而是將高能電子束的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換成相干輻射能。具有高功率、高效率、波長(zhǎng)的大范圍調(diào)諧和超短脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)良特性[17]，不過(guò)目前的自由電子激光器還比較大，而且費(fèi)用高，需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化[18]。

二、激光炫目致傷因子

非致命激光武器主要作用部位是人眼，人眼中最易受到激光損傷的組織是視網(wǎng)膜和角膜，損傷程度取決于激光器的各項(xiàng)參數(shù)，主要包括激光輸出功率、激光波長(zhǎng)、激光脈沖寬度和光斑直徑等，考慮激光器設(shè)計(jì)可變化性，本文主要從激光波長(zhǎng)和輸出功率研究。

（一）激光損傷波長(zhǎng)范圍

激光損傷人眼與其波長(zhǎng)有密切關(guān)系，不同波長(zhǎng)的光通過(guò)眼組織透射率T不同，視網(wǎng)膜吸收率A也不同，以Nd：YAG倍頻激光器為例，如圖3所示[19]。透過(guò)眼組織的激光能量越高，對(duì)人眼損害越大，視網(wǎng)膜吸收激光越多，對(duì)視網(wǎng)膜傷害就越大。因此視網(wǎng)膜損傷程度是由眼睛光學(xué)系統(tǒng)的透射率T和視網(wǎng)膜A吸收率的乘積-眼底層有效吸收率決定的。

從圖中可以看出，400～1400nm波長(zhǎng)的激光都可以對(duì)人眼造成較大傷害，其中532nm藍(lán)綠激光有效透過(guò)率最高，對(duì)人眼的傷害程度最大，500～850nm波長(zhǎng)的激光透過(guò)率整體較高，達(dá)到了85%以上，而波長(zhǎng)小于400nm以及大于1200nm的激光有效透過(guò)率相對(duì)來(lái)說(shuō)就小了許多?？紤]非致命激光武器作用效能，應(yīng)優(yōu)先考慮500～850nm波長(zhǎng)范圍的激光器。

（二）激光輸出功率闕值

對(duì)于特定的波長(zhǎng)，激光器的功率密度決定了人眼損傷程度，通常把最小可見(jiàn)傷害的最低功率密度稱(chēng)作激光損傷闕值。作為非致命激光武器，必須要能造成一定程度人眼損傷，但又不宜有嚴(yán)重?fù)p傷，以免對(duì)人員造成永久性致盲破壞，同時(shí)要增加激光器的功率要求。確定人眼激光損傷闕值是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)工作，不同國(guó)家和學(xué)者對(duì)損傷闕值的報(bào)道有一定的差異，表1為美國(guó)國(guó)防部公布的損傷人眼的能量闕值表[20]。對(duì)于532nm藍(lán)綠激光，通常認(rèn)為其激光的輸出功率密度應(yīng)在0.1～2.55mW/ cm2這一范圍內(nèi)。非致命激光器選擇時(shí)，激光器輸出功率應(yīng)至少達(dá)到0.1mW/ cm2，同時(shí)考慮人眼激光損傷闕值，輸出功率也不宜太大。

三、主要性能比對(duì)

各類(lèi)激光器由于增益介質(zhì)和激勵(lì)方式的不同，所產(chǎn)生的激光都有著不同的指標(biāo)參數(shù)，各自對(duì)應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)也不一樣，有著不同的側(cè)重點(diǎn)，適用于不同的領(lǐng)域?，F(xiàn)將常用激光器主要性能進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，主要考慮激光波長(zhǎng)震蕩范圍以及各自優(yōu)缺點(diǎn)，以便更直觀選擇非致命激光器。

四、結(jié)論

非致命激光器的選擇，應(yīng)綜合考慮激光器發(fā)射波長(zhǎng)、輸出功率、體積、成本、壽命和方便控制等因素，固體激光器大都發(fā)熱量大，能量轉(zhuǎn)換效率低；氣體激光器體積龐大，使用壽命短；染料激光器工作原理復(fù)雜，有機(jī)染料易燃、易爆、有毒；自由電子激光器則價(jià)格非常昂貴，通常選擇半導(dǎo)體激光器和光纖激光器作為激光源。這兩類(lèi)激光器既能提供有效透射率高的激光源，同時(shí)還兼?zhèn)潴w積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，常用的非致命激光器為發(fā)射532nm綠激光以及850nm的紅色激光的半導(dǎo)體激光器。

除了傳統(tǒng)種類(lèi)的激光器，復(fù)合結(jié)構(gòu)激光器正成為越來(lái)越重要的角色，光纖耦合半導(dǎo)體激光器（FCLD）就兼顧了兩類(lèi)激光器的優(yōu)點(diǎn)，能較好的滿足非致命激光武器設(shè)計(jì)需求，必將成為未來(lái)發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。

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（作者單位：武警工程大學(xué)研究生大隊(duì)）