二氧化碳激光器在激光测距机中的应用研究

　　目前, 我军装备的激光测距机使用的大多是工作波长为 1.06μm 的 Nd:YAG(钇铝石榴石)激光器。伴随着它的大量装备和广泛使用, Nd:YAG 激光器在使用中的缺点逐渐引起人们重视。如容易损坏眼睛; 在有雾、霾的气候条件下和战场烟尘中的传输性能差; 与装备、应用的 8~12μm 的长波段热像仪兼容性差; 转换效率低, 难于使用外差探测等缺点。这些缺点不仅影响了测距机的性能, 而且也影响了它们的训练和使用。

　　二氧化碳激光器发展得比较早(1964 年), 但它最早在军事上应用却是激光雷达。由于 CO2激光器具有对人眼安全、对烟雾的穿透能力强等优点, 所以在 70 年代中期, 它在激光测距机上应用的可能性被认识到, 而随着小型 CO2激光器的研制和发展, 这种必要性又变成了可能性。

　　1 CO2激光器

　　1.1 CO2

　　激光器的分类

　　CO2激光器属于最重要、应用最广泛的分子气体 激 光 器 , 它 的 输 出 波 长 正 好 处 于 大 气 窗 口(10.6μm)。

　　CO2激光器是四能级系统。以 CO2、N2、He 等混合气体为工作物质, 其中 CO2分子是激光物质, N2的作用是提高激光上能级的激励效率, He 则有助于激光下能级的抽空。此外还有 CO、Xe、H2O 等辅助气体, 它们的作用是为了改善激光的输出特性。CO激光器种类繁多, 目前常见的有流动型、横向激励型、高气压型、气动型、波导型、射频激励型等, 而经常用作激光测距机的是横向激励大气压 CO2激光器。

　　横向激励大气压 CO2激光器简称为 TEA CO2激光器, TE 表示横向放电激励 (与激光输出方向垂直), A 表示大气压(105Pa)。由于气压高, 放电不稳定, 通常采用脉冲工作方式。器件可以做得很大, 也可以做得很小。输出能量与工作体积成比例, 单位体积输出能量高达 10~50J/l, 总能量和峰值功率分别高达 10000J 和 20TW(1TW=1012W)。

　　1.2 CO2激光器的优点

　　1.2.1 对人眼安全

　　激光束对眼睛的损伤或损坏主要由输出功率和波长决定, 高功率的任何波长的激光都会损伤眼睛, 但波长不同, 对眼睛的损伤阈值就不同, 损伤部位也不同。研究发现, 1.06μm 波长的激光对眼睛的损伤阈值极低, 极易损伤人员的眼睛, 造成使用人员的心理压力, 影响作战情绪与平时的训练, 它的安全距离都在几千米上。而 CO2激光器的 10.6μm波长远离眼睛的透射波长, 不损伤视网膜, 对战术应用的中小功率 CO2激光器而言, 输出功率不可能大到损伤角膜, 对眼睛的损伤阈值极高, 约为 Nd:YAG1.06μm 激光器的 2000 倍, 它的安全距离可以设计成零距离, 即无损伤距离。因此可以认为中小功率的 CO2激光器对眼睛安全, 不会损伤人的眼睛。