단파 적외선 레이저의 다른 생성 메커니즘에 따르면 단파 적외선 레이저에는 반도체 레이저, 파이버 레이저 및 고체 레이저의 세 가지 유형이 있습니다.그 중 고체 레이저는 광학 비선형 파장 변환을 기반으로 하는 고체 레이저와 레이저 가공 재료에서 단파 적외선 레이저를 직접 생성하는 고체 레이저로 나눌 수 있습니다.
반도체 레이저는 반도체 재료를 레이저 가공 재료로 사용하며 출력 레이저 파장은 반도체 재료의 밴드 갭에 의해 결정됩니다.재료 과학의 발전으로 반도체 재료의 에너지 밴드는 에너지 밴드 엔지니어링을 통해 더 넓은 범위의 레이저 파장에 맞출 수 있습니다.따라서 반도체 레이저로 여러 개의 단파 적외선 레이저 파장을 얻을 수 있습니다.
단파장 적외선 반도체 레이저의 대표적인 레이저 가공 재료는 형광체 재료이다.예를 들어, 개구 크기가 95μm인 인듐 인화물 반도체 레이저는 출력 레이저 파장이 1.55μm 및 1.625μm이고 출력이 1.5W에 도달했습니다.
파이버 레이저는 희토류 도핑 유리 섬유를 레이저 매질로 사용하고 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용합니다.낮은 임계값, 높은 변환 효율, 우수한 출력 빔 품질, 간단한 구조 및 높은 신뢰성과 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다.또한 레이저 공진기에 격자와 같은 선택적 광학 요소를 추가하여 조정 가능한 파이버 레이저를 형성하기 위해 희토류 이온 방사선의 넓은 스펙트럼을 활용할 수 있습니다.파이버 레이저는 레이저 기술 발전의 중요한 방향이 되었습니다.
1. 고체 레이저
단파 적외선 레이저를 직접 생성할 수 있는 고체 레이저 게인 매질은 주로 Er:YAG 결정 및 세라믹, Er 도핑된 유리입니다.Er:YAG 결정과 세라믹을 기반으로 하는 고체 레이저는 1.645μm 단파 적외선 레이저를 직접 출력할 수 있으며, 이는 최근 단파 적외선 레이저 연구에서 핫스팟입니다[3-5].현재 전기 광학 또는 음향 광학 Q-스위칭을 사용하는 Er:YAG 레이저의 펄스 에너지는 수에서 수십 mJ, 펄스 폭은 수십 ns, 반복 주파수는 수만에서 수천 Hz에 도달했습니다.1.532μm 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하면 레이저 능동 정찰 및 레이저 대책, 특히 일반적인 레이저 경고 장치에 대한 스텔스 효과 분야에서 큰 이점을 얻을 수 있습니다.
Er 유리 레이저는 구조가 콤팩트하고 비용이 저렴하며 가벼우 며 Q 스위치 작동을 실현할 수 있습니다.단파 적외선 레이저의 능동 감지를 위해 선호되는 광원입니다.그러나 Er 유리 재료의 네 가지 단점으로 인해: 첫째, 흡수 스펙트럼의 중심 파장이 940nm 또는 976nm이므로 램프 펌핑을 달성하기 어렵습니다.둘째, Er 유리 소재의 준비가 어렵고 대형화도 쉽지 않다.셋째, Er 유리 재료는 열적 특성이 좋지 않으며 연속 작동은 말할 것도없고 장시간 반복 주파수 작동을 달성하기가 쉽지 않습니다.넷째, 적합한 Q-스위칭 재료가 없습니다.Er 유리를 기반으로 한 단파 적외선 레이저에 대한 연구는 항상 사람들의 관심을 끌었지만 위의 네 가지 이유로 인해 제품이 나오지 않았습니다.1990년까지 파장이 940nm와 980nm인 반도체 레이저 바의 등장과 Co2+:MgAl2O4(코발트 도핑된 알루미네이트 마그네슘)와 같은 포화 흡수 물질의 등장으로 펌프 소스와 Q-스위칭의 두 가지 주요 병목 현상 부서졌다.유리 레이저에 대한 연구는 빠르게 발전했습니다.특히 최근 몇 년 동안 반도체 펌프 소스, Er 유리 및 공진 공동을 통합하는 우리나라의 소형 Er 유리 레이저 모듈은 무게가 10g을 넘지 않으며 50kW 피크 전력 모듈의 작은 배치 생산 능력을 갖추고 있습니다.그러나 Er 유리 재료의 열 성능이 열악하기 때문에 레이저 모듈의 반복 주파수는 여전히 상대적으로 낮습니다.50kW 모듈의 레이저 주파수는 5Hz에 불과하고 20kW 모듈의 최대 레이저 주파수는 10Hz로 저주파 응용 분야에서만 사용할 수 있습니다.
Nd:YAG 펄스 레이저의 1.064μm 레이저 출력은 최대 메가와트의 피크 출력을 가집니다.이러한 강한 간섭성 빛이 일부 특수 물질을 통과할 때 그 광자는 물질의 분자에 비탄성적으로 산란됩니다. 즉, 광자가 흡수되어 상대적으로 저주파 광자를 생성합니다.이 주파수 변환 효과를 달성할 수 있는 두 가지 유형의 물질이 있습니다. 하나는 KTP, LiNbO3 등과 같은 비선형 결정입니다.다른 하나는 H2와 같은 고압 가스입니다.광학 공명 공동에 배치하여 광학 파라메트릭 발진기(OPO)를 형성합니다.
고압 가스를 기반으로 하는 OPO는 일반적으로 유도된 라만 산란광 파라메트릭 발진기를 말합니다.펌프 광은 부분적으로 흡수되어 저주파 광파를 생성합니다.성숙한 라만 레이저는 1.064μm 레이저를 사용하여 고압 가스 H2를 펌핑하여 1.54μm 단파 적외선 레이저를 얻습니다.
그림 1
단파 적외선 GV 시스템의 일반적인 응용 분야는 야간의 장거리 이미징입니다.레이저 조명기는 피크 출력이 높은 단파장 단파 적외선 레이저여야 하며 반복 주파수는 스트로브 카메라의 프레임 주파수와 일치해야 합니다.국내외 단파 적외선 레이저의 현황에 따르면 다이오드 펌핑 Er:YAG 레이저와 OPO 기반의 1.57μm 고체 레이저가 최선의 선택이다.미니어처 Er 유리 레이저의 반복 주파수와 피크 출력은 여전히 개선되어야 합니다.3.광전 정찰에 단파 적외선 레이저 적용
단파적외선 레이저 대정찰의 본질은 단파적외선 대역에서 작동하는 적의 광전자 정찰 장비에 단파적외선 레이저 빔을 조사하여 잘못된 표적 정보를 얻거나 정상적으로 작동하지 못하게 하거나 심지어 감지기가 손상되었습니다.대표적인 단파적외선 레이저 대정찰 방법은 사람의 눈에 안전한 레이저 거리계에 대한 거리기만 간섭과 단파적외선 카메라에 대한 진압 피해 두 가지가 있다.
1.1 인간의 눈 안전 레이저 거리 측정기에 대한 거리기만 간섭
펄스 레이저 거리계는 발사 지점과 목표물 사이를 왕복하는 레이저 펄스의 시간 간격으로 목표물과 목표물 사이의 거리를 변환합니다.대상의 반사된 에코 신호가 발사 지점에 도달하기 전에 거리계 감지기가 다른 레이저 펄스를 수신하면 타이밍을 멈추고 변환된 거리는 대상의 실제 거리가 아니라 대상의 실제 거리보다 작습니다.거리계의 거리를 속이는 목적을 달성하는 거짓 거리.눈에 안전한 레이저 거리 측정기의 경우 동일한 파장의 단파 적외선 펄스 레이저를 사용하여 거리 기만 간섭을 구현할 수 있습니다.
거리 측정기의 거리 기만 간섭을 구현하는 레이저는 대상의 난반사를 레이저로 시뮬레이션하므로 레이저 피크 전력은 매우 낮지만 다음 두 가지 조건이 충족되어야 합니다.
1) 레이저 파장은 간섭 거리계의 작동 파장과 동일해야 합니다.거리계 탐지기 앞에 간섭 필터가 설치되어 있으며 대역폭이 매우 좁습니다.작동 파장 이외의 파장을 가진 레이저는 검출기의 감광성 표면에 도달할 수 없습니다.비슷한 파장을 가진 1.54μm 및 1.57μm 레이저도 서로 간섭할 수 없습니다.
2) 레이저 반복 주파수는 충분히 높아야 합니다.거리계 감지기는 범위가 측정될 때만 감광 표면에 도달하는 레이저 신호에 반응합니다.효과적인 간섭을 달성하려면 간섭 펄스가 최소한 2~3 펄스의 거리계 파동 게이트에 들어가야 합니다.현재 달성할 수 있는 범위 게이트는 μs 정도이므로 간섭 레이저는 높은 반복 주파수를 가져야 합니다.3km의 목표 거리를 예로 들면 레이저가 한 번 왕복하는 데 필요한 시간은 20μs입니다.최소 2개의 펄스가 입력되면 레이저 반복 주파수는 50kHz에 도달해야 합니다.레이저 거리 측정기의 최소 범위가 300m인 경우 재머의 반복 주파수는 500kHz보다 낮을 수 없습니다.반도체 레이저와 파이버 레이저만이 이러한 높은 반복률을 달성할 수 있습니다.
1.2 단파 적외선 카메라에 대한 억제 간섭 및 손상
단파 적외선 이미징 시스템의 핵심 구성 요소인 단파 적외선 카메라는 InGaAs 초점면 검출기의 응답 광 출력의 동적 범위가 제한되어 있습니다.입사 광출력이 동적 범위의 상한을 초과하면 포화가 발생하고 검출기가 정상적인 이미징을 수행할 수 없습니다.고출력 레이저는 검출기에 영구적인 손상을 입힐 수 있습니다.
반복 주파수가 높은 연속 및 저피크 전력 반도체 레이저 및 파이버 레이저는 단파 적외선 카메라의 간섭을 지속적으로 억제하는 데 적합합니다.레이저로 단파 적외선 카메라를 지속적으로 조사합니다.광학 렌즈의 대배율 집광 효과로 인해 InGaAs 초점면에서 레이저 확산 스폿이 도달하는 영역은 심하게 포화되어 정상적으로 이미징할 수 없습니다.일정 시간 동안 레이저 조사를 중단한 후에야 이미징 성능이 점차 정상으로 돌아올 수 있습니다.
가시광선 및 근적외선 대역의 레이저 능동 대책 제품에 대한 다년간의 연구 개발과 다중 필드 손상 유효성 테스트 결과에 따르면 최대 전력이 메가와트 이상인 단펄스 레이저만이 TV에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있습니다. 킬로미터 떨어진 곳에 있는 카메라.손상.손상 효과를 달성할 수 있는지 여부는 레이저의 최대 출력이 핵심입니다.피크 전력이 검출기 손상 임계값보다 높으면 단일 펄스가 검출기를 손상시킬 수 있습니다.레이저 설계 난이도, 방열 및 전력 소비의 관점에서 레이저의 반복 주파수는 반드시 카메라의 프레임 속도 이상에 도달할 필요는 없으며 10Hz ~ 20Hz는 실제 전투 응용 프로그램을 충족할 수 있습니다.당연히 단파 적외선 카메라도 예외는 아닙니다.
InGaAs 초점면 검출기는 InGaAs/InP 전자 이동 광음극 및 나중에 개발된 CMOS를 기반으로 하는 전자 충격 CCD를 포함합니다.이들의 포화 및 손상 임계값은 Si 기반 CCD/CMOS와 같은 크기이지만 InGaAs/InP 기반 검출기는 아직 확보되지 않았습니다.CCD/COMS의 포화 및 손상 임계값 데이터.
국내외 단파 적외선 레이저의 현황에 따르면 OPO 기반의 1.57μm 반복 주파수 고체 레이저는 여전히 CCD/COMS에 대한 레이저 손상에 가장 적합한 선택입니다.그것의 높은 대기 침투 성능 및 높은 피크 전력 단파 레이저 단파 적외선 카메라가 장착된 장거리 광전자 시스템의 소프트 킬링 파워에 대해 광점 범위 및 단일 펄스 유효 특성이 분명합니다.
2.결론
파장이 1.1μm~1.7μm인 단파 적외선 레이저는 대기 투과율이 높고 연무, 비, 눈, 연기, 모래 및 먼지를 투과하는 능력이 강합니다.전통적인 저조도 야간 투시 장비에는 보이지 않습니다.1.4μm ~ 1.6μm 대역의 레이저는 인간의 눈에 안전하며 이 범위에서 피크 응답 파장을 가진 성숙한 감지기와 같은 독특한 기능을 가지고 있어 레이저 군사 응용 분야의 중요한 개발 방향이 되었습니다.
본 논문은 형광체 반도체 레이저, Er-doped fiber laser, Er-doped solid-state laser, OPO-based solid-state laser 등 대표적인 4가지 단파장 적외선 레이저의 기술적 특성과 현황을 분석하고 용도를 정리한다. 광전 능동 정찰에서 이러한 단파장 적외선 레이저의안티 정찰의 일반적인 응용 프로그램입니다.
1) 지속적이고 낮은 첨두 전력 고반복 주파수 형광체 반도체 레이저와 Er 도핑된 광섬유 레이저는 장거리 스텔스 감시 및 야간 조준과 적 단파 적외선 카메라에 대한 간섭 억제를 위한 보조 조명으로 주로 사용됩니다.고반복 단펄스 인광체 반도체 레이저와 Er 도핑 파이버 레이저는 또한 다중 펄스 시스템 눈 안전 거리 측정, 레이저 스캐닝 이미징 레이더 및 눈 안전 레이저 거리 측정기 거리 속임수 간섭에 이상적인 광원입니다.
2) 반복률은 낮지만 피크 전력이 메가와트 또는 10메가와트인 OPO 기반 고체 레이저는 플래시 이미징 레이더, 야간 장거리 레이저 게이팅 관찰, 단파 적외선 레이저 손상 및 전통적인 모드 원격 인간의 눈 안전 레이저 범위.
3) 소형 Er 유리 레이저는 최근 몇 년 동안 단파 적외선 레이저의 가장 빠르게 성장하는 방향 중 하나입니다.현재 전력 및 반복 주파수 수준은 소형 눈 안전 레이저 거리 측정기에 사용할 수 있습니다.시간이 지나면 피크 전력이 메가와트 수준에 도달하면 플래시 이미징 레이더, 레이저 게이팅 관찰 및 단파 적외선 카메라에 대한 레이저 손상에 사용할 수 있습니다.
4) 레이저 경고 장치를 숨기는 다이오드 펌핑 Er:YAG 레이저는 고출력 단파 적외선 레이저의 주류 개발 방향입니다.그것은 플래시 라이더, 야간 장거리 레이저 게이팅 관찰 및 레이저 손상에 큰 응용 가능성을 가지고 있습니다.
최근 몇 년 동안 무기체계는 광전자 시스템의 집적화에 대한 요구가 점점 더 높아짐에 따라 레이저 장비의 소형화 및 경량화가 불가피한 추세가 되었다.소형, 경량 및 저전력 소모의 반도체 레이저, 파이버 레이저 및 소형 레이저 Er 유리 레이저는 단파 적외선 레이저 개발의 주류 방향이 되었습니다.특히 빔 품질이 좋은 파이버 레이저는 야간 보조 조명, 스텔스 감시 및 조준, 스캐닝 이미징 라이다, 레이저 억제 간섭에 큰 응용 가능성을 가지고 있습니다.그러나 이 세 가지 유형의 소형 및 경량 레이저의 출력/에너지는 일반적으로 낮고 일부 단거리 정찰 응용 프로그램에만 사용할 수 있으며 장거리 정찰 및 카운터 정찰의 요구를 충족할 수 없습니다.따라서 개발의 초점은 레이저 출력/에너지를 높이는 것입니다.
OPO 기반 고체 레이저는 빔 품질이 좋고 피크 출력이 높으며 장거리 게이트 관찰, 플래시 이미징 레이더 및 레이저 손상에서 장점이 여전히 매우 분명하며 레이저 출력 에너지 및 레이저 반복 주파수를 더 높여야 합니다. .다이오드 펌핑 Er:YAG 레이저의 경우 펄스 에너지가 증가하고 펄스 폭이 더 압축되면 OPO 고체 레이저에 대한 최상의 대안이 됩니다.장거리 게이트 관찰, 플래시 이미징 레이더 및 레이저 손상에 장점이 있습니다.훌륭한 응용 가능성.
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업데이트 시간: 2022-03-02
