哈工大光电对抗读书报告演讲

1、Military Laser Technology for Defense Technology for Revolutionnizing 21st Century Warfare，Alasttair D. McAulay军用激光防御技术 变革21世纪战争1110530110 张常乐 第一页，共二十九页。用于防御系统的激光技术光学射线费马原理：1658年，费马提出了物理学中最早的变分原理之一，即支配着几何光学的基本原理:一条光线在P1和P2两点之间将通过最短光程传播，没有替他光程或更短的长度。对于通过折射率为n的一条路径而言，光程长度与在空气中的光程长度相等。第二页，共二十九页。用于防御系统的

2、激光技术光学射线费马原理推倒光线方程：光线方程在几何光学中十分关键，他描述了一条光线通过折射率在三维空间变化的非均匀介质时的路径。在费马原理中的光程长度可以从等式分解出dz而写出：亦可以写成，式中被积分函数F具有泛函数的形式。由于，。类似的可以用于Fy，Fz。继而推导出光线方程是第三页，共二十九页。用于防御系统的激光技术发射和接收光学单一薄膜透镜成像：第四页，共二十九页。用于防御系统的激光技术发射和接收光学扩束器：扩束器通常用于增大光武器和光通信的光束直径。扩束器会减弱光线在大气中传输时的衍射效应。第五页，共二十九页。用于防御系统的激光技术发射和接收光学缩束器：在光通信链路中，有时要将入射光线

3、光束直径从d1减小到d2，以满足接收器的光学传感器尺寸。第六页，共二十九页。用于防御系统的激光技术高斯光束与偏振高斯光束：激光器输出的光束其中心处一般比边缘部分要亮，且其横轴上的光强抛物面可近似为高斯分布，这就构成了高斯光束。不同类型的激光其远场与高斯光束的符合程度不同。在激光二极管中，光束从一个小波导中发出，这会导致高数通过衍射而大角度发散。光源口径越小，其发出的相干光将会随着传输距离的发散越厉害。高斯概率密度分布函数只有两个参数平均值和方差；与之相似，高斯光束也可以只用两个参数表示曲率半径R和光斑半径W。通过跟踪这两个参数，就可以对高斯光束在光学器件之间以及大气湍流中的传输做出分析。第七页

4、，共二十九页。用于防御系统的激光技术高斯光束与偏振偏振：偏振与电磁波传输中横截面内电场矢量的运动方向相关联。偏振角处于电磁波传播方向的横截面方向，并以X轴为据准来度量。第八页，共二十九页。用于防御系统的激光技术高斯光束与偏振波片和 波片：对于半波长拨片，通过的光线相位会超前或滞后第九页，共二十九页。用于防御系统的激光技术高斯光束与偏振波片和 波片：对于四分之一长拨片，通过的光线相位会超前或滞后第十页，共二十九页。用于防御系统的激光技术高斯光束与偏振偏振控制器：偏振控制器在光纤通信中十分常用，由于光纤并不是理想的圆对称，所以它属于双折射介质。偏振控制器有很多不同的形式。在自由空间中，一般用三个或

5、者四个波片连续排列来做成一个偏振控制器当一个光纤绕其主轴缠绕时，光纤上所施加的的压力会改变两个正交方向上的相对折射率第十一页，共二十九页。用于防御系统的激光技术光学衍射傅里叶变换测不准原理：由于对衍射场进行精确计算不同，人们可以利用傅里叶变换的测不准原理获得光源处场宽度与远场信息最小宽度之间的关系。傅里叶变换的测不准原理是与量子力学的还三包测不准原理密切相关的。时域傅里叶变换的测不准原理时域傅里叶变换(或谐波分析)的测不准原理规定，由于傅里叶变换的伸缩性，那么我们在时域将信号压缩到 1/a，它将会在频域伸展至a倍，反之亦然。那么我们期望找到能同时精确预测脉冲位置及其频率的两者的一个极限，在此极

6、限中，一个象征时间精确知道的时域，其对应的频域函数将会趋于无穷大，也就无法预知。第十二页，共二十九页。用于防御系统的激光技术光学衍射傅里叶变换测不准原理：空域傅里叶变换的测不准原理小角度第十三页，共二十九页。用于防御系统的激光技术标量衍射及极限成像标量衍射：我们都知道来自平面镜的发射和折射。相干光与相界面的第三种相互作用就是衍射。假设电磁波场入射到遮光板的透镜函数为U(x,y),希望得到目标上的电磁场。可以使我们能够在激光束穿过大气一投射能量后对电磁波进行预测，投射的激光能量可以用于激光武器和在光通信中发射和接收的信号。我们可以把相界面上的孔点看成是新点场源第十四页，共二十九页。用于防御系统的

7、激光技术传输和大气湍流大气层中的空气运动可以通过速度v(x,y,z)剧烈的随机涨落(脉动)来描述。温度在三维空间(x,y,z)的随机变化将会伴随着速度的随机涨落。空气随温度的膨胀和收缩将会造成空气密度的随机变化，进而导致折射率n(x,y,z）的被动随机变化。当一束光穿过大气时，折射率的随机变化将会造成其传播路径的随机弯曲，因此，光束的扩散和偏移程度要比衍射更加厉害。讨论折射率的影响时，称大气湍流为光学湍流。统计学知识折射率在空间随机涨落，从激光器发出的激光将会采取一条略有不同的路径通过大气。不同路径的空间集合被称为随机场。每条路径都是其中的一个元素，由于随机性，路径在实际上不可预测的，那么用来

8、表示路径的期望。为了易于处理，人们一般关心的是一阶二阶统计：平均值和方差。这时候空间路径的均匀场就相当于随机过程中的一个广义稳态过程。首先，由于随机场的完备性，这个场是一个遍历的场，可以包含所有状态的随机过程。那么我们通过对样本平均值和方差的测量，就可以根据泊松流原理估计出激光在大气中传播的路径函数，进而得出相应的传输模型。第十五页，共二十九页。用于防御系统的激光技术传输和大气湍流大气中的光学湍流：大气中或者别处的湍流被认为是源于介质中速度流的统计学变化。速度的剧烈变化将会导致压力和温度的变化。空气的折射率也会被动的变化。在不存在速度混合时，流体是分层的。进入到气流中的突出体会导致速度混合，产

9、生迅速变化的漩涡。当雷诺数Re超过下限值，湍流就会出现：。V速度，l尺寸，v是粘滞度（单位）。惯性力使这些漩涡破碎以减小其尺寸，直到达到尺寸。在处，吸收速率大于能量注入速率，那么漩涡通过耗散而消失。低密度意味着低的介电常数，那么漩涡就像是围绕着平均方向涨落的尺寸各异的凸透镜。通过级联理论就可以知道结构函数和相应的空间功率谱。第十六页，共二十九页。用于防御系统的激光技术用于防御系统的激光器技术超束缚电子态激光器原理：单词laser(激光器)取自于light amplification by stimulated emission of radiation（受辐射式微波放大器）的首字母缩写，而名称

10、maser（微波激射器）则取自microwave amplification by stimulated emission of radiation（受辐射式微波放大器）的字母缩写。受辐射指的是轫致辐射（Bremsstrahlung radiation），它将电子向下能级跃迁产生的能量转换变成微波辐射或者光辐射。对于相干光辐射，低于1GHz的被称为无线电辐射（RF即射频）；1100GHz的被称为微波，可以利用微波激射器产生；100300GHz的被称为毫米波，它落在微博激射和激光之间；高于300GHz的时候，称为光，可以用激光器产生。更高频率的有X射线，射线，核子射线和宇宙射线等。轫致辐射意味着

11、电子束中的电子减速，从而将能力量转换成电磁辐射。第十七页，共二十九页。用于防御系统的激光技术用于防御系统的激光器技术束缚电子态相干辐射的激光产生：(1)激光器中相干光的优势激光器中的相干光具有很多优势，如：可以将能量投射致一定距离之外，如激光笔，激光指示器；可以被聚焦到一个很小的区域内，用于激光武器；可以探测化学和生物武器，因为其波长与分子和细菌的尺寸相当；在Hz频率内提供了bit/s的发送潜力，相当于每秒传送一百万亿比特的信息；短波长卫星的成像和夜视相机的实现可能性。其最重要的优势就是其能量接近单频，从而产生一个逼近于零的熵（不确定度），在一个正弦波中便不存在不确定度。高频率相干光在产生和分

12、配过程中是高效率的。在将来，能量主要会被用于照明和计算，那么能源产生和分配新途径成为可能。第十八页，共二十九页。用于防御系统的激光技术用于防御系统的激光器技术束缚电子态相干辐射的激光产生：(2)用于相干光产生的光与物质相互作用基本理论爱因斯坦的光与物质相互作用理论解释了电子在能级跃迁的下列方式吸收：如果带有能量高于 中的 光子照射到介质上，则该光子就会以电子较低的E1能级穿过带隙跃迁至较高的E2能级的方式被吸收。该光子被储存在高能级中。此处的泵浦就是把外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中处于基态的电子，激励到较高的能级高能态。光子的自发发射：外部无影响的情况下，电子从高能级随

13、机地落到低能级中会发出光子。光子的受激励发射：入射光子激励一种具有增益和粒子数反转n2n1的激光介质，从而导致电子从能级E2落到E1。非放射式的退激发：一个电子可以从高能级落到低能级而不产生一个光子的过程。损失的能量可以通过平动，振动，转动或者其他类似的形式出现。第十九页，共二十九页。用于防御系统的激光技术用于防御系统的激光器技术半导体激光器束缚电子态激光器的最简单模型需要包含两个成为“速度方程”的一阶线性偏微分方程，他描述了两个储备之间的相互作用：一个提供电子载流子密度即每立方米内的载流子个数或者电子数N，另一个提供光子密度，即每立方米内的光子数 。二者具有不同的时间常数，相互作用过程十分复

14、杂。因为不是主要研究的目的，故不详细介绍。第二十页，共二十九页。用于防御系统的激光技术用于防御系统的激光器技术超高功率回旋加速型激光器上一节中介绍了轫致辐射使传统的束缚态电子激光器产生受激发射。这节要介绍利用回旋加速器（陀螺器件）的概念产生的更高功率的受激发射器第二十一页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用对导弹的激光防御：防御导弹和带核弹头的洲际弹道导弹发射激光的成本要比发射反导导弹的成本低得多，而且不会产生后坐力和后效应。需要使用的激光能量由目标的类型而定。远程情况下由于大气湍流会使得远距离摧毁导弹及其他军事目标十分困难。有人提出采用自适应光学的技术，但这无疑会加大成本，

15、并且，自适应光学系统十分复杂，在摧毁远距离目标时能量消耗也十分大，能量的降低就意味着需要持续好几秒来跟踪目标并投射激光才能达到预期效果，这显然是不切实际的。近程情况下，大气湍流及其他影响可以忽略，这时使用脉冲激光器，缩短脉冲时间并增加激光能量，可以对目标实现摧毁。但，纳秒激光器会出现汽化和烧蚀现象，即材料不经过液态而直接由固态变为气态。该过程产生的冲击波会使其他类型的材料在原子层面上失效。单枚洲际弹道导弹可以携带多个核弹头，这也让一个核国家可以瞬间毁灭另一个国家成为可能。据预测2015年将会有超过十个国家拥有能覆盖美国和能多其他国家的携带核弹头的洲际导弹的能力，这象征着巨大的威胁。为了防御，1

16、983年美国政府提出了战略防御计划（SDI）并且很快就冠名以“星球大战”计划。其目的就是通过阻止任何抵达美国上空或者在美国上空爆炸的核弹来完全消除核导弹的威胁。第二十二页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用对导弹的激光防御：防御洲际弹道导弹的机载激光计划在上世纪80年代末，兴趣转向了一个更加具体的武器系统：机载激光系统（ABL）。相比于战略防御系统，这个系统成功的可能性更加大。图示就是用于防御洲际弹道导弹的（ICBM）机载激光系统。第二十三页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用对导弹的激光防御：对自动寻的导弹的防御单兵肩扛式导弹发射器在20世纪50年代得到应

17、用。目前，世界上有25个国家可以发射这种武器。为此，人们设计了一种叫做对抗吊舱的装置。图为装有“喷气机眼”对抗系统的飞机。第二十四页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用恶劣天气下对目标探测/跟踪/识别的94GHz雷达：94GHz雷达运用了前面所提的许多光学技术，因为该频率落在光波与微波之间，因此具有很多优良的性质。该频率被认为属于毫米波段的上部，且在多个应用领域有超过光波和毫米波的独特优势。被归类为W波段（75110GHz）的频率具有数毫米（42.7mm）的波长，能够穿透更小的颗粒。人们特别感兴趣的就是，它落在一个大气窗口内，而且在空气中的波长为。处于光波和微波之前的电磁波可

18、以利用上述的自由电子激光器或者其他回旋加速谐振腔及放大器在高功率的情况下高效率产生，而且它的分辨率和清晰度要好于一般的常规雷达。94GHz的大气窗口处，3.2mm的波长介于光波和毫米波之间。与光波相比，94GHz可以穿过绝大多数的类似雾，烟，粉尘，雪，雨等恶劣天气。同时，其分辨率也好于微波。第二十五页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用恶劣天气下对目标探测/跟踪/识别的94GHz雷达：第二十六页，共二十九页。用于防御系统的激光技术防御军事威胁的应用恶劣天气下对目标探测/跟踪/识别的94GHz雷达：空间监视、高多普勒效应等应用（1）监视低地球轨道卫星二战以来，优势属于控制冲突地区上方空域的一方。在未来的冲突中，卫星空间（低地球轨道）将同样，甚至更为关键，因为在商业和冲突活动中都需要许多卫星。可以依靠GPS卫星监视盟友和我们的导弹，没有GPS，FedEx将会迷路，更不用说车辆的驾驶员。（2）探视跟踪低地球轨道碎片在2003850km的低地球轨道中，有数量极多的有害碎片。有超过800颗现役卫星可能与其他卫星相撞。以510km/s速度于东的碎片可能会对飞行器和室外工作宇航员造成威