激光探测技术.pptx
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1、激光是激光是2020世纪世纪以来,继以来,继原子能原子能、计算机计算机、半导体半导体之后,人类的又一重大发明,被称为之后,人类的又一重大发明,被称为“最快最快的刀的刀”、“最准的尺最准的尺”、“最亮的光最亮的光”和和“奇异的激光奇异的激光”。它的亮度为太阳光的。它的亮度为太阳光的5050亿倍。亿倍。它的原理早在它的原理早在 1916 1916 年已被著名的物理学家年已被著名的物理学家爱爱因斯坦因斯坦发现,但要直到发现,但要直到 1958 1958 年激光才被首次年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,迫切
2、需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的生,而且导致整个一门新兴产业的 出现。出现。6.1 6.1 概述概述激光的产生:激光的产生:原子原子或或分子分子等等微观微观粒子粒子具有高能级具有高能级E2E2和低能级和低能级E1E1,在两能级间存在着自发发射,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,过程。受激发射跃迁所产生的受激发射
3、光,与入射光具有相同的与入射光具有相同的频率频率、相位相位、传播方向、传播方向和和偏振偏振方向。一个原子从高能阶降到低能阶方向。一个原子从高能阶降到低能阶时,会放出一个光子,原子在高能阶时受到时,会放出一个光子,原子在高能阶时受到一个光子的撞击,就会受激而放出另外一个一个光子的撞击,就会受激而放出另外一个相同的光子,变成两个光子,如果受激放光相同的光子,变成两个光子,如果受激放光的过程持续产生,则所发出来的光子便会越的过程持续产生,则所发出来的光子便会越来越多。利用共振腔,把由光放大器所来越多。利用共振腔,把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围产生的光线用反射镜局限在一个特定的范
4、围内,让光线可以来回反射;透过共振腔的作内,让光线可以来回反射;透过共振腔的作用,能让光线行进的方向完全相同,能量足用,能让光线行进的方向完全相同,能量足够大时就会有光子射出,从而产生激光。够大时就会有光子射出,从而产生激光。6.1 6.1 概述概述激光的特点:激光的特点:1 1、定向发光、定向发光 :普通光源是向四面八方发光。要:普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有灯都是安装有聚光聚光作用的作用的反光镜反光镜,使辐射光使辐射光汇集起来向一
5、个方向射出。激光器发射的激汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有度极小,大约只有0.0010.001弧度,接近平行。弧度,接近平行。19621962年,人类第一次使用激光照射月球,地年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约球离月球的距离约3838万公里,但激光在月球万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将覆盖整个斑直径将覆盖整个月球月球。6.1 6.1
6、 概述概述2 2、亮度极高、亮度极高 :在激光发明前,人工光源中高压:在激光发明前,人工光源中高压脉冲脉冲氙灯氙灯的亮度最高,与太阳的亮度不相上的亮度最高,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能够照亮远距离的物体。能够照亮远距离的物体。红宝石红宝石激光器发射激光器发射的光束在月球上产生的照度约为的光束在月球上产生的照度约为0.020.02勒克斯勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球,
7、显可见。若用功率最强的探照灯照射月球,产生的照度只有约一万亿分之一产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯勒克斯,人,人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。间范围内射出,能量密度自然极高。6.1 6.1 概述概述3 3、颜色极纯、颜色极纯 :光的颜色由光的波长(或频率):光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在的波长分布范围约在0.760.76微米至微米至0.40.4微米之
8、间,微米之间,对应的颜色从红色到紫色共对应的颜色从红色到紫色共7 7种颜色。种颜色。发射单种颜色光的光源称为单色光源,单色光源发射单种颜色光的光源称为单色光源,单色光源的光波波长虽然单一,但仍有一定的分布范的光波波长虽然单一,但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光,单色性很好,被誉围。如氪灯只发射红光,单色性很好,被誉为单色性之冠,波长分布的范围仍有为单色性之冠,波长分布的范围仍有0.000010.00001纳米,因此氪灯发出的红光,若仔细辨认仍纳米,因此氪灯发出的红光,若仔细辨认仍包含有几十种红色。包含有几十种红色。激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜激光器输出的光,波长分布范围非常窄
9、,因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其光的波长分布范围可以窄到光的波长分布范围可以窄到210-9210-9纳米,纳米,是是氪灯氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。发射的红光波长分布范围的万分之二。激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。6.1 6.1 概述概述4 4、相干性好:激光的频率、振动方向、相位高、相干性好:激光的频率、振动方向、相位高度一致,使激光光波在空间重叠时,重叠区度一致,使激光光波在空间重叠时,重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的
10、干涉,所以激光是相干光。种现象叫做光的干涉,所以激光是相干光。而普通光源发出的光,其频率、振动方向、而普通光源发出的光,其频率、振动方向、相位不一致,称为非相干光。相位不一致,称为非相干光。5 5、闪光时间可以极短:由于技术上的原因,普、闪光时间可以极短:由于技术上的原因,普通光源的闪光时间不可能很短,照相用的闪通光源的闪光时间不可能很短,照相用的闪光灯,闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光灯,闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短,可达到光的闪光时间很短,可达到6 6飞秒(飞秒(1 1飞秒飞秒=10-15=10-15秒)。闪光时间极短的光源在生产、秒)。闪光时间极短的光源在生产、科研
11、和军事方面都有重要的用途。科研和军事方面都有重要的用途。6.1 6.1 概述概述6 6、能量密度极大:、能量密度极大:光子的能量是用光子的能量是用E=hfE=hf来计算的,其中来计算的,其中h h为普为普朗克常量,朗克常量,f f为频率。由此可知,频率为频率。由此可知,频率越高,能量越高。激光频率范围越高,能量越高。激光频率范围3.846*10(14)Hz3.846*10(14)Hz到到7.895*10(14)Hz7.895*10(14)Hz.由此看来,激光能量并不算很大,但是它由此看来,激光能量并不算很大,但是它的能量密度很大(因为它的作用范围很的能量密度很大(因为它的作用范围很小,一般只有
12、一个点),短时间里聚集小,一般只有一个点),短时间里聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解起大量的能量,用做武器也就可以理解了了。6.1 6.1 概述概述电磁波电磁波电磁波谱可大致分为:电磁波谱可大致分为:(1 1)无线电波:波长从几千米到)无线电波:波长从几千米到0.30.3米左右,一米左右,一般电视和无线电广播的波段就是用这种波;般电视和无线电广播的波段就是用这种波;(2 2)微波:波长从)微波:波长从0.30.3米到米到10-310-3米,这些波多用在米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;雷达或其它通讯系统;(3 3)红外线:波长从)红外线:波长从10-310-3米到米到7.810-77.
13、810-7米;米;(4 4)可见光:这是人们所能感光的极狭窄的一)可见光:这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从个波段。波长从780380nm780380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分;觉的电磁波极少的那一部分;6.1 6.1 概述概述(5 5)紫外线)紫外线波长从波长从3 10-73 10-7米到米到610-10610-10米。米。这些波产生的原因和光波类似,常常在放电这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它的能量和一
14、般化学反应所牵时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强;最强;(6 6)伦琴射线)伦琴射线 这部分电磁波谱,波长从这部分电磁波谱,波长从210-9210-9米到米到610-12610-12米。伦琴射线(米。伦琴射线(X X射线)射线)是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;的;(7 7)射线射线是波长从是波长从10-1010-1010-1410-14米的电磁波。米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内
15、发出来的,这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。随着发出。射线的穿透力很强,对生物的破射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。坏力很大。6.1 6.1 概述概述激光技术应用激光技术应用 :1 1、激光加工;、激光加工;2 2、激光在医学中的应用:激光美容等;、激光在医学中的应用:激光美容等;3 3、激光在计算机方面的应用;、激光在计算机方面的应用;4 4、激光传感器(、激光传感器(laser transducerlaser transducer)利用激光)利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、技术进行测量
16、的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等量程大,抗光、电干扰能力强等 ;5 5、激光雷达、激光武器等。、激光雷达、激光武器等。6.1 6.1 概述概述一、激光探测技术在军事上的应用一、激光探测技术在军事上的应用引信:引信:触发引信(机械引信);触发引信(机械引信);近炸引信(近炸引信(电子引信电子引信););执行引信。执行引信。近炸引信定义:近炸引信定义:近炸引信定义:近炸引信定义:
17、通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉目标的存在,并在预定的位置适时起爆战斗目标的存在,并在预定的位置适时起爆战斗目标的存在,并在预定的位置适时起爆战斗目标的存在,并在预定的位置适时起爆战斗部的一种引信。部的一种引信。部的一种引信。部的一种引信。6.1 6.1 概述概述近炸引信:近炸引信:按其借以传递目标信息的物理场的来源可按其借以传递目标信息的物理场的来源可分为主动式、半主动式和被动式三类;分为主动式、半主动式和被动式三类;根据对目标的探测方式不同有无线电近炸、根
18、据对目标的探测方式不同有无线电近炸、磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸等。炸、毫米波近炸等。6.1 6.1 概述概述近炸引信发展:近炸引信发展:1 1、无线电引信、无线电引信利用无线电波获取目标信息的近炸引信。利用无线电波获取目标信息的近炸引信。习惯上把无线电引信以外的近炸引信,习惯上把无线电引信以外的近炸引信,统称为非无线电引信。统称为非无线电引信。起源于起源于2020世纪年代,世纪年代,19431943年装备部队,是年装备部队,是应用最为广泛的一种近炸引信,它在战应用最为广泛的一种近炸引信,它在战术导弹和战略导弹中均被广泛用。术导弹和战略导弹
19、中均被广泛用。它不仅可以检测到目标的存在,还可以获它不仅可以检测到目标的存在,还可以获得引信与战斗部最佳配合所需的目标方得引信与战斗部最佳配合所需的目标方位、距离(高度)、速度等信息。位、距离(高度)、速度等信息。6.1 6.1 概述概述按工作波长分,有米波(波长为按工作波长分,有米波(波长为1-101-10米)和微波米)和微波(波长为(波长为1 1毫米毫米-1-1米)无线电引信。米)无线电引信。按工作体制分,有多普勒式、调频式、脉冲式、按工作体制分,有多普勒式、调频式、脉冲式、比相式和编码式等无线电引信。比相式和编码式等无线电引信。按无线电波辐射物理场源分,有主动式、半主动按无线电波辐射物理
20、场源分,有主动式、半主动式和被动式无线电引信。半主动式无线电引式和被动式无线电引信。半主动式无线电引信的辐射源由使用方设置在引信以外的地面信的辐射源由使用方设置在引信以外的地面上、飞机上或军舰上。被动式无线电引信的上、飞机上或军舰上。被动式无线电引信的辐射源即为目标本身。两者的敏感装置只有辐射源即为目标本身。两者的敏感装置只有接收系统。主动式无线电引信的敏感装置既接收系统。主动式无线电引信的敏感装置既含有发射系统也包括接收系统它对目标探测含有发射系统也包括接收系统它对目标探测定位的方式与雷达类似,俗称雷达引信。定位的方式与雷达类似,俗称雷达引信。6.1 6.1 概述概述优点优点(与机械引信相比
21、)(与机械引信相比)它不仅可以检测到目标的存在,还可以获得引信它不仅可以检测到目标的存在,还可以获得引信与战斗部最佳配合所需的目标方位、距离与战斗部最佳配合所需的目标方位、距离(高度)、速度等信息。(高度)、速度等信息。缺点:缺点:1 1、泼长较长,角度分辨率低,作用距离尽,探、泼长较长,角度分辨率低,作用距离尽,探测识别能力明显不足,对目标、环境等不能测识别能力明显不足,对目标、环境等不能进行有效识别;进行有效识别;2 2、泼束发散角大,易被对方接收和破解等等。、泼束发散角大,易被对方接收和破解等等。3 3、随着干扰措施的加强,抗干扰能力减弱,为、随着干扰措施的加强,抗干扰能力减弱,为了提高
22、抗干扰,付出的代价越来越大。了提高抗干扰,付出的代价越来越大。6.1 6.1 概述概述2 2、非无线电及多模复合近炸引信、非无线电及多模复合近炸引信无线电引信以外的其它近炸引信,如磁近炸、红无线电引信以外的其它近炸引信,如磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸等。等。近炸引信发展趋势:近炸引信发展趋势:由单模向多模发展,如红外由单模向多模发展,如红外/毫米波、激光毫米波、激光/红外红外成像、双色红外等等。而毫米波与红外复合成像、双色红外等等。而毫米波与红外复合制导将是最有前途的制导体制之一。毫米波制导将是最有前途的制导体制之一。毫米波和红外成像制
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