Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике
Лазеры. Основы устройства
и применение их в военной технике
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение
2. Причина удивительных
свойств лазерного луча. Когерентный
свет.
2.1. Анатомия лазера
2.2. Типы лазеров:
газоразрядные; эксимерные; электроионизационные;
химические.
3. Применение лазеров
в военном деле
3.1. Лазерная локация
-характерные параметры.
3.2. Наземные лазерные
дальномеры и их применение
в армиях.
4. Заключение
5. Использованная
литература.
1. ВВЕДЕНИЕ
И вот он наступил
ХХ век. Уже самое его начало было
отмечено величайшими достижениями
человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании
Русского физико-химического общества
Попов А. С. продемонстрировал изобретенное
им устройство связи без проводов,
а год спустя аналогичное устройство
связи без проводов, а год спустя
аналогичное устройство предложил
итальянский техник и предприниматель
Г. Маркони. Так родилось радио. В конце
уходящего века бал создан автомобиль
с бензиновым двигателем, который пришел
на смену изобретенному еще в ХVШ веке
паровому автомобилю. Не менее потрясающим
оказались достижения в физике. Только
за одно десятилетие на рубеже двух веков
было сделано пять открытий. В 1895 году
немецкий физик Рентген открыл новый вид
излучения, названный позднее его именем.
В 1896 г. французский физик Антуан Анри
Беккерель открыл явление радиоактивности,
в 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон
открыл электрон и в следующем году измерил
его заряд, 14 декабря 1900 года на заседании
немецкого физического общества Макс
Планк дал вывод формулы для испускательной
способности черного тела, этот вывод
опирался на совершенно новые идеи, ставшие
фундаментом квантовой теории - одной
из основных физических теорий ХХ века.
В 1905 г. молодой А. Эйнштейн - ему тогда
было всего 26 лет - опубликовал специальную
теорию относительности. Все эти открытия
производили ошеломляющее впечатление
и многих подвергали в замешательство
- они никак не укладывались в рамки существования
физики, требовала пересмотра ее основных
представлений. Едва начавшись, новый
век возвестил о рождении новой физики,
обозначил невидимую грань, за которой
осталась прежняя физика, получившая отныне
название,, классическая,,.
Новые фундаментальные
знания привели и к новым техническим
достижениям началось то, что мы
сегодня называем научно-технической
революцией. Развитие вакуумной, а позднее
- с начала 50-х годов - полупроводниковой
электроники позволило создать
весьма совершенные системы
Первый лазер был
создан в 1960 году - и сразу началось
бурное развитие лазерной техники. В
сравнительно короткое время появились
различные типы лазеров и лазерных
устройств, предназначенных для
решения конкретных научных и
технических задач.
Человек никогда
не хотел жить в темноте, он изобрел
много разнообразных источников
света - от канувших в прошлое стеариновых
свечей, газовых рожков, и керосиновых
ламп до ламп накаливания и ламп
дневного света, которые сегодня
освещают наши улицы и дома. И
вот появился еще один источник света
- лазер.
Этот источник света
совершенно необычен. В отличие от
всех других источников, он вовсе не
предназначается для освещения.
Конечно при желании лазеры могут
применяться в качестве экстравагантных
светильников. Однако использовать лазерный
луч в целях освещения столь
же нерационально, как отапливать комнату
сжигаемыми в камине ассигнованиями.
В отличие от других источников света
лазер генерирует световые лучи, способные
гравировать, сваривать резать материалы,
передавать информации., осуществлять
измерения, контролировать процесса, получать
особо чистые вещества, направлять химические
реакции... Так что это поистине удивительные
лучи.
2. ПРИЧИНА УДИВИТЕЛЬНЫХ
СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА. КОГЕРЕНТНЫЙ
СВЕТ.
Для объяснения этих
свойств в научном языке есть
специальный термин когерентность.
Ученые скажут, что свет от лампы
накаливания некогерентен, а лазерное
излучение когерентно - и все им
понятно. Человеку же, недостаточно просвещенному
в области физики, надо очевидно,
пояснить, что такое некогерентный
или когерентный свет.
В общих чертах такое
пояснение дать вроде бы несложно.
Вполне понятно, что поток света,
распространяющийся от любого источника
есть суммарный результат
Когда мы говорим
о лазерном луче, то обычно представляем
себе яркий и тонкий световой шнур
или световую нить. Нечто подобное
можно увидеть в
Однако не всегда
лазерный луч выглядит столь эффектно.
Например, луч СО2 лазера вообще невидим
- ведь его длина волны попадает
в инфракрасную область спектра.
Кроме того, не следует думать, что
лазерный луч - это обязательные непрерывный
поток световой энергии. В большинстве
случаев лазеры генерируют не непрерывный
световой пучок, а световые импульсы.
2.1. Анатомия лазера.
Как выглядит лазер?
На что он похож? Лазеры отличаются
большим разнообразием. Существует
огромное число разных типов лазеров,
они различаются не только характеристиками
генерируемого ими излучения, но также
внешним видом, размерами, особенностями
конструкции.
” Сердце лазера” -
его активный элемент. У одних
лазеров он представляет собой кристаллический
или стеклянный стержень цилиндрической
формы. У других это отпаянная
стеклянная трубка, внутри которой
находится специально подобранная
газовая смесь. У третьих - кювета
со специальной жидкостью. Соответственно
различают лазеры твердотельные, газовые
и жидкостные. см. табл. стр. 88.
2.2. Типы лазеров.
Продолжая знакомиться
с лазерами, совершим экскурсию по
обширному лазерному хозяйству.
Остановимся на некоторых типах
лазеров.
Газоразрядные лазеры.
Так называют лазеры на разряженных
газовых смесях (давление смеси 1-10 мм
рт. ст) которые возбуждаются самостоятельным
электрическим разрядом. Различают
три группы газоразрядных лазеров:
- лазеры, в которых генерируемое
излучение рождается на переходах
между энергетическими уровнями
свободных ионов (применяется термин
“ионные лазеры” ) .
- лазеры, генерирующие
на переходах между уровнями
свободных атомов.
- лазеры, генерирующие
на переходах между уровнями
молекул (так называемые
В аргоновом лазере
генерация происходит на переходах
между уровнями однократного иона аргона
(Ar+) основными являются переходах
на длинах волн 0,488(голубой цвет) и 0,515
мкм (зеленый цвет) .
Генерация в СО2-лазере
происходит на переходах между колебательными
уровнями молекулы углекислого газа
(СО2) основными являются переходы на
длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими
газовой смеси являются углекислый
газ и молекулярный азот.
Эксимерные лазеры.
Так называют газовые лазеры генерирующие
на переходах между электронными
состояниями эксимерный (разлетных)
молекул. К таким молекулам относятся,
например молекулы Ar2, Kr2, Xe2, ArF, KrCl, XeBr и
др. Эти молекулы содержат атомы
инертных газов.
Заметим, что в
эксимерных лазерах реализованы
наиболее низкие значения генерируемых
длин волн. Так. в лазере на молекулах
Хе2 наблюдалась генерация на длине
волн 0,172 мкм, в лазере на молекулах
Kr2 0,147 мкм, в лазере на Ar2 0,126 мкм.
Электроионизационные
лазеры. В качестве ионизирующего
излучения используют ультрафиолетовое
излучение, электронный пучок из
ускорителя, пучки заряженных частиц,
являющихся продуктами ядерных реакций.
Химические лазеры.
Реакции идущие с высвобождением
энергии, называют экзоэнергетичсекими.
Они-то и представляют интерес для
химических лазеров. В этих лазерах,
высвобождающаяся при химических реакциях,
идет на возбуждение активных центров
и в конечном счете преобразуется
в энергию когерентного света.
Приведем пример
реакций замещения, которые используются
в химических лазерах: F + H2 -> HF + H, F
+ D2 ->DF + D, H + Cl2 -> Hcl + Cl, Cl + HJ - > HCl + J.
Звездочка указывает
на то, что молекула образуется в
возбужденном колебательном состоянии.
Существует еще
ряд признаков классификации
лазеров, но отнесем их рассмотрение
к специальной литературе.
3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
В ВОЕННОМ ДЕЛЕ.
К настоящему времени
сложилась основные направления, по
которым идет внедрение лазерной
техники в военное дело. Этими
направлениями являются:
1. Лазерная локация
(наземная, бортовая, подводная) .
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные
системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные ситным
ПРО и ПКО, создаваемые в
рамках стратегической
Сейчас, получены такие
параметры излучения лазеров, которые
способны существенно повысить тактико-технические
данные различных образцов военной
аппаратуры (стабильность частоты порядка
10 в -14, пиковая мощность 10 в -12 Вт, мощность
непрерывного излучения 10 в 4 Вт, угловой
раствор луча 10 в -6 рад, t=10 в -12 с,... =0,2...
20 мкм.
3.1 ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ.
Лазерной локацией
называют область оптикоэлектроники,
занимающегося обнаружением и определением
местоположения различных объектов
при помощи электромагнитных волн оптического
диапазона, излучаемого лазерами. Объектами
лазерной локации могут быть танки,
корабли, ракеты, спутники, промышленные
и военные сооружения. Принципиально
лазерная локация осуществляется активным
методом. Нам уже известно, что
лазерное излучение отличается от температурного
тем, что оно является узконаправленным,
монохроматичным, имеет большую
импульсивную мощность и высокую
спектральную яркость. Все это делает
оптическую локацию конкурентоспособной
в сравнении с радиолокаций, особенно
при ее использовании в космосе
(где нет поглощающего воздействия
атмосферы) и под водой (где для
ряда волн оптического диапазона
существуют окна прозрачности) .
В основе лазерной локации,
так же как и радиолокации, лежат
три основных свойства электромагнитных
волн:
1. Способность отражаться
от объектов. Цель и фон, на
котором она расположена, по-
Создание лазеров
открыло новые перспективы в
технике локации.
2. Способность распространяться
прямолинейно. Использование
Это направление
находят по расположению оси оптической
системы, формирующей лазерное излучение
(в радиолокации - по направлению
антенны) . Чем уже луч, тем с
большей точностью может быть
определен пеленг. Определим коэффициент
направленного действия и диаметр
антенны по следующей простой
формуле, G = 4п * S / 2 где G - коэффициент
направленного действия, S площадь
антенны, м2, / длина волны излучения
мкм.
Простые расчеты
показывают - чтобы получить коэффициент
направленности около 1,5 при пользовании
радиоволн сантиметрового диапазона,
нужно иметь антенну диаметром
около 10 м. Такую антенну трудно поставить
на танк, а тем более на летательный
аппарат. Она громоздка и
Угловой раствор
луча лазера, изготовленного с использованием
твердотельного активного вещества,
как известно, составляет всего 1,0 -
1,5 градуса и при этом без дополнительных
оптических фокусирующих систем (антенн)
. Следовательно, габариты лазерного
локатора могут быть значительно
меньше, чем аналогического радиолокатора.
Использование же незначительных по
габарита м оптических систем позволит
сузить луч лазера до нескольких угловых
минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного
излучения распространяться с
постоянной скоростью дает
Рассмотрение этого
соотношения показывает, что потенциальная
точность измерения дальности
Какими же параметрами
принято характеризовать
Прежде всего зона
действия. Под ней понимают область
пространства, в которой ведется
наблюдение. Ее границы обусловлены
максимальной и минимальной дальности
действия и пределами обзора по углу
места и азимуту. Эти размеры
определяются назначением военного
лазерного локатора.
Другим параметром
локатора является время обзора. Под
ним понимается время, в течение
которого лазерный луч приводит однократный
обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром
локатора являются определяемые координаты.
они зависят от назначения локатора.
Если он предназначен для определения
местонахождения наземных и надводных
объектов, то достаточно измерять две
координаты: дальность и азимут.
При наблюдении за воздушными объектами
нужны три координаты. Эти координаты
следует определять с заданной точностью,
которая зависит от систематических
и случайных ошибок. Их рассмотрение
выходит за рамки данной книги. Однако
будем пользоваться таким понятием,
как разрешающая способность. Под
разрешающей способностью понимается
возможность раздельного
И весьма важной характеристикой
локатора является надежность. Это
свойство локатора сохранять свои характеристики
и установленных пределах в заданных
условиях эксплуатации.
Схема лазерного
локатора, предназначенного для измерения
четырех основных параметров объекта
(дальности, азимута, угла места и
скорости) см. рис. на стр. 17. Хорошо видно,
что конструктивно такой
Основное назначение
приемного блока - прием излучения
отраженного объектом, преобразование
его в электрический сигнал и
обработка для выделения
Индикаторный блок
служит для указания в цифровой форме
информации о параметрах цели.
В зависимости от
того, для какой цели служит локатор,
различают: дальномеры, измерители скорости
(доплеровские локаторы) , собственно локаторы(дальность,
азимут, и угол места) .
СХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА
о модулятор
Лазер
Модулятор
Оптическая система
Сканирующее устройство
Источник возбуждения
ПЕРЕДАЮЩИЙ БЛОК
приемник излучения
оптический фильтр
приемная оптическая
система
ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК
ПРИЕМНЫЙ БЛОК
блок измерения
дальности
блок измерения
скорости
блок измерения
угловых координат
Угол места
A
В
Азимут
Скорость
Блок питания
Дальность
3.2. НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ
ДАЛЬНОМЕРЫ.
Лазерная дальнометрия
является одной из первых областей
практического применения лазеров
в зарубежной военной технике. Первые
опыты относятся к 1961 году, а сейчас
лазерные дальномеры используются и
в наземной военной технике(
Задача определения
расстояния между дальномером и
целью сводится к измерению соответствующего
интервала времени между
Сущность импульсного
метода дальнометрирования состоит
в том, что к объекту посылается
зондирующий импульс, он же запускает
временной счетчик в
При фазовом методе
дальнометрирования лазерное излучение
модулируется по синусоидальному закону.
При этом интенсивность излучения
меняется в значительных пределах.
В зависимости от дальности до
объекта изменяется фаза сигнала, упавшего
на объект. Отраженный от объекта сигнал
придет на приемное устройство также
с определенной фазой, зависящей
от расстояния. Это хорошо показано
в разделе геодезических
Первый лазерный
дальномер ХМ-23 прошел испытания, и
был принят на вооружение армий. Он
рассчитан на использование в
передовых наблюдательных пунктах
сухопутных войск. Источником излучения
в нем является лазер на рубине
с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью
импульса 30 нс. В конструкции дальномера
широко используются интегральные схемы.
Излучатель, приемник и оптические
элементы смонтированы в моноблоке,
который имеет шкалы точного
отчета азимута и угла места цели.
Питание дальномера производится то
батареи никелево-кадмиевых
Интересен шведский
лазерный дальномер. Он предназначен для
использования в системах управления
огнем бортовой корабельной и
береговой артиллерии. Конструкция
дальномера отличается особой прочностью,
что позволяет применять его
в сложенных условиях. Дальномер
можно сопрягать при
Весьма удачным
лазерным дальномерам является LP-4.
Он имеет в качестве модулятора добротности
оптико-механический затвор. Приемная
часть дальномера является одновременно
визиром оператора. Диаметр входной
оптической системы составляет 70 мм.
Приемником служит портативный фотодиод,
чувствительность которого имеет максимальное
значение на волне 1,06 мкм. Счетчик снабжен
схемой стробирования по дальности, действующей
по установке оператора от 200 до 3000 м. В
схеме оптического визира перед окуляром
помещен защитный фильтр для предохранения
глаза оператора от воздействия своего
лазера при приеме отраженного импульса.
Излучатель в приемник смонтированы в
одном корпусе. Угол места цели определяется
в пределах + 25 градусов. Аккумулятор обеспечивает
150 измерений дальности без подзарядки,
его масса всего 1 кг. Дальномер прошел
испытания и был закуплен в ряде стран
таких как - Канада, Швеция, Дания, Италия,
Австралия. Кроме того, министерство обороны
Великобритании заключило контракт на
поставку английской армии модифицированного
дальномера LP-4 массой в 4.4. кг.
Портативные лазерные
дальномеры разработаны для пехотных
подразделений и передовых
Установка лазерных
дальномеров на танки сразу заинтересовала
зарубежных разработчиков военного
вооружения. Это объясняется тем,
что на танке можно ввести дальномер
в систему управления огнем танка,
чем повысить его боевые качества.
Для этого был разработан дальномер
AN/VVS-1 для танка М60А. Он не отличался
по схеме от лазерного артиллерийского
дальномера на рубине, однако, помимо выдачи
данных о дальности на цифровое табло
в счетно-решающее устройство системы
управления огнем танка. При этом
измерение дальности может

- Лазеры. Строение и применение
- Лазеры ультракоротких импульсов
- Лазовский заповедник
- Лазовский заповедник
- Лазовский Район
- Лайкерт и организации 4-х типов
- Лайт, Джудит
- Лазеры и их применение в медицине
- Лазеры и их применение в медицине
- Лазеры и их применение в медицине. Физические основы интроскопии
- Лазеры на алюмоиттриевом гранате
- Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате
- Лазеры на квантовых точках
- Лазеры (оптические квантовые генераторы): принцип работы, использование в технике, медицине, сельском хозяйстве