哈工大光電對抗讀書報告PPT演講

1、Military Laser Technology for Defense Technology for Revolutionnizing 21st Century Warfare，Alasttair D. McAulay軍用激光防御技術(shù) 變革21世紀戰(zhàn)爭1110530110 張常樂張常樂 用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學射線光學射線費馬原理：費馬原理：1658年，費馬提出了物理學中最早的變分原理之一，即支配著幾何光學的基本原理:一條光線在P1和P2兩點之間將通過最短光程傳播，沒有替他光程或更短的長度。對于通過折射率為n的一條路徑而言，光程長度與在空氣中的光程長度相等。21PP

2、ndsL用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學射線光學射線費馬原理推倒光線方程：費馬原理推倒光線方程：光線方程在幾何光學中十分關(guān)鍵，他描述了一條光線通過折射率在三維空間變化的非均勻介質(zhì)時的路徑。在費馬原理中的光程長度可以從等式分解出dz而寫出：亦可以寫成，式中被積分函數(shù)F具有泛函數(shù)的形式。由于，。類似的可以用于Fy，F(xiàn)z。繼而推導出光線方程是222dzdydxds2122211),(zzppdzdzdydzdxzyxnndsdzdsxndsxnFXdsdxndsdzdzdxnFxndsdrndsd用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學發(fā)射和接收光學單一薄膜透鏡成像

3、：單一薄膜透鏡成像：用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學發(fā)射和接收光學擴束器：擴束器：擴束器通常用于增大光武器和光通信的光束直徑。擴束器會減弱光線在大氣中傳輸時的衍射效應。2121ffdd用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學發(fā)射和接收光學縮束器：縮束器：在光通信鏈路中，有時要將入射光線光束直徑從d1減小到d2，以滿足接收器的光學傳感器尺寸。1212ffddm用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束與偏振高斯光束：高斯光束：激光器輸出的光束其中心處一般比邊緣部分要亮，且其橫軸上的光強拋物面可近似為高斯分布，這就構(gòu)成了高斯光束。

4、不同類型的激光其遠場與高斯光束的符合程度不同。在激光二極管中，光束從一個小波導中發(fā)出，這會導致高數(shù)通過衍射而大角度發(fā)散。光源口徑越小，其發(fā)出的相干光將會隨著傳輸距離的發(fā)散越厲害。高斯概率密度分布函數(shù)只有兩個參數(shù)平均值和方差；與之相似，高斯光束也可以只用兩個參數(shù)表示曲率半徑R和光斑半徑W。通過跟蹤這兩個參數(shù)，就可以對高斯光束在光學器件之間以及大氣湍流中的傳輸做出分析。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束與偏振偏振：偏振：偏振與電磁波傳輸中橫截面內(nèi)電場矢量的運動方向相關(guān)聯(lián)。偏振角處于電磁波傳播方向的橫截面方向，并以X軸為據(jù)準來度量。0 xy2xy用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)

5、用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束與偏振波片和波片和 波片：波片：對于半波長撥片，通過的光線相位會超前或滯后24用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束與偏振波片和波片和 波片：波片：對于四分之一長撥片，通過的光線相位會超前或滯后242用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束與偏振偏振控制器：偏振控制器：偏振控制器在光纖通信中十分常用，由于光纖并不是理想的圓對稱，所以它屬于雙折射介質(zhì)。偏振控制器有很多不同的形式。在自由空間中，一般用三個或者四個波片連續(xù)排列來做成一個偏振控制器當一個光纖繞其主軸纏繞時，光纖上所施加的的壓力會改變兩個正

6、交方向上的相對折射率用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學衍射光學衍射傅里葉變換測不準原理：傅里葉變換測不準原理：由于對衍射場進行精確計算不同，人們可以利用傅里葉變換的測不準原理獲得光源處場寬度與遠場信息最小寬度之間的關(guān)系。傅里葉變換的測不準原理是與量子力學的還三包測不準原理密切相關(guān)的。時域傅里葉變換的測不準原理時域傅里葉變換的測不準原理時域傅里葉變換(或諧波分析)的測不準原理規(guī)定，由于傅里葉變換的伸縮性，那么我們在時域?qū)⑿盘枆嚎s到 1/a，它將會在頻域伸展至a倍，反之亦然。那么我們期望找到能同時精確預測脈沖位置及其頻率的兩者的一個極限，在此極限中，一個象征時間精確知道的時域，其對應

7、的頻域函數(shù)將會趨于無窮大，也就無法預知。21taFaatf1)(用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學衍射光學衍射傅里葉變換測不準原理：傅里葉變換測不準原理：空域傅里葉變換的測不準原理空域傅里葉變換的測不準原理小角度小角度21xfsxf2s用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)標量衍射及極限成像標量衍射及極限成像標量衍射：標量衍射：我們都知道來自平面鏡的發(fā)射和折射。相干光與相界面的第三種相互作用就是衍射。假設電磁波場入射到遮光板的透鏡函數(shù)為U(x,y),希望得到目標上的電磁場?？梢允刮覀兡軌蛟诩す馐┻^大氣一投射能量后對電磁波進行預測，投射的激光能量可以用于激光武器和在光通信中

8、發(fā)射和接收的信號。我們可以把相界面上的孔點看成是新點場源用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)傳輸和大氣湍流傳輸和大氣湍流大氣層中的空氣運動可以通過速度v(x,y,z)劇烈的隨機漲落(脈動)來描述。溫度在三維空間(x,y,z)的隨機變化將會伴隨著速度的隨機漲落?？諝怆S溫度的膨脹和收縮將會造成空氣密度的隨機變化，進而導致折射率n(x,y,z）的被動隨機變化。當一束光穿過大氣時，折射率的隨機變化將會造成其傳播路徑的隨機彎曲，因此，光束的擴散和偏移程度要比衍射更加厲害。討論折射率的影響時，稱大氣湍流為光學湍流。統(tǒng)計學知識統(tǒng)計學知識折射率在空間隨機漲落，從激光器發(fā)出的激光將會采取一條略有不同的路

9、徑通過大氣。不同路徑的空間集合被稱為隨機場。每條路徑都是其中的一個元素，由于隨機性，路徑在實際上不可預測的，那么用來表示路徑的期望。為了易于處理，人們一般關(guān)心的是一階二階統(tǒng)計：平均值和方差。這時候空間路徑的均勻場就相當于隨機過程中的一個廣義穩(wěn)態(tài)過程。首先，由于隨機場的完備性，這個場是一個遍歷的場，可以包含所有狀態(tài)的隨機過程。那么我們通過對樣本平均值和方差的測量，就可以根據(jù)泊松流原理估計出激光在大氣中傳播的路徑函數(shù)，進而得出相應的傳輸模型。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)傳輸和大氣湍流傳輸和大氣湍流大氣中的光學湍流：大氣中的光學湍流：大氣中或者別處的湍流被認為是源于介質(zhì)中速度流的統(tǒng)計

10、學變化。速度的劇烈變化將會導致壓力和溫度的變化。空氣的折射率也會被動的變化。在不存在速度混合時，流體是分層的。進入到氣流中的突出體會導致速度混合，產(chǎn)生迅速變化的漩渦。當雷諾數(shù)Re超過下限值，湍流就會出現(xiàn)：。V速度，l尺寸，v是粘滯度（單位）。vlRe慣性力使這些漩渦破碎以減小其尺寸，直到達到尺寸。在處，吸收速率大于能量注入速率，那么漩渦通過耗散而消失。低密度意味著低的介電常數(shù)，那么漩渦就像是圍繞著平均方向漲落的尺寸各異的凸透鏡。通過級聯(lián)理論就可以知道結(jié)構(gòu)函數(shù)和相應的空間功率譜。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)超束縛電子態(tài)激光器原理：超

11、束縛電子態(tài)激光器原理：單詞laser(激光器)取自于light amplification by stimulated emission of radiation（受輻射式微波放大器）的首字母縮寫，而名稱maser（微波激射器）則取自microwave amplification by stimulated emission of radiation（受輻射式微波放大器）的字母縮寫。受輻射指的是軔致輻射（Bremsstrahlung radiation），它將電子向下能級躍遷產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換變成微波輻射或者光輻射。對于相干光輻射，低于1GHz的被稱為無線電輻射（RF即射頻）；1100GHz的被稱

12、為微波，可以利用微波激射器產(chǎn)生；100300GHz的被稱為毫米波，它落在微博激射和激光之間；高于300GHz的時候，稱為光，可以用激光器產(chǎn)生。更高頻率的有X射線，射線，核子射線和宇宙射線等。軔致輻射意味著電子束中的電子減速，從而將能力量轉(zhuǎn)換成電磁輻射。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)束縛電子態(tài)相干輻射的激光產(chǎn)生：束縛電子態(tài)相干輻射的激光產(chǎn)生：(1)激光器中相干光的優(yōu)勢激光器中相干光的優(yōu)勢激光器中的相干光具有很多優(yōu)勢，如：可以將能量投射致一定距離之外，如激光筆，激光指示器；可以被聚焦到一個很小的區(qū)域內(nèi)，用于激光武器；可以探測化學和生物武

13、器，因為其波長與分子和細菌的尺寸相當；在Hz頻率內(nèi)提供了bit/s的發(fā)送潛力，相當于每秒傳送一百萬億比特的信息；短波長衛(wèi)星的成像和夜視相機的實現(xiàn)可能性。其最重要的優(yōu)勢就是其能量接近單頻，從而產(chǎn)生一個逼近于零的熵（不確定度），在一個正弦波中便不存在不確定度。高頻率相干光在產(chǎn)生和分配過程中是高效率的。在將來，能量主要會被用于照明和計算，那么能源產(chǎn)生和分配新途徑成為可能。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)束縛電子態(tài)相干輻射的激光產(chǎn)生：束縛電子態(tài)相干輻射的激光產(chǎn)生：(2)用于相干光產(chǎn)生的光與物質(zhì)相互作用用于相干光產(chǎn)生的光與物質(zhì)相互作用基本理論基

14、本理論愛因斯坦的光與物質(zhì)相互作用理論解釋了電子在能級躍遷的下列方式吸收吸收：如果帶有能量高于 中的 光子照射到介質(zhì)上，則該光子就會以電子較低的E1能級穿過帶隙躍遷至較高的E2能級的方式被吸收。該光子被儲存在高能級中。此處的泵浦就是把外部能量通常會以光或電流的形式輸入到產(chǎn)生激光的媒質(zhì)之中處于基態(tài)的電子，激勵到較高的能級高能態(tài)。hEEEg12光子的自發(fā)發(fā)射：光子的自發(fā)發(fā)射：外部無影響的情況下，電子從高能級隨機地落到低能級中會發(fā)出光子。光子的受激勵發(fā)射：光子的受激勵發(fā)射：入射光子激勵一種具有增益和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)n2n1的激光介質(zhì)，從而導致電子從能級E2落到E1。非放射式的退激發(fā)非放射式的退激發(fā)：一個電子

15、可以從高能級落到低能級而不產(chǎn)生一個光子的過程。損失的能量可以通過平動，振動，轉(zhuǎn)動或者其他類似的形式出現(xiàn)。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)半導體激光器半導體激光器束縛電子態(tài)激光器的最簡單模型需要包含兩個成為“速度方程”的一階線性偏微分方程，他描述了兩個儲備之間的相互作用：一個提供電子載流子密度即每立方米內(nèi)的載流子個數(shù)或者電子數(shù)N，另一個提供光子密度，即每立方米內(nèi)的光子數(shù) 。二者具有不同的時間常數(shù)，相互作用過程十分復雜。因為不是主要研究的目的，故不詳細介紹。phN用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光器技術(shù)用于防御

16、系統(tǒng)的激光器技術(shù)超高功率回旋加速型激光器超高功率回旋加速型激光器上一節(jié)中介紹了軔致輻射使傳統(tǒng)的束縛態(tài)電子激光器產(chǎn)生受激發(fā)射。這節(jié)要介紹利用回旋加速器（陀螺器件）的概念產(chǎn)生的更高功率的受激發(fā)射器用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應用防御軍事威脅的應用對導彈的激光防御：防御導彈和帶核彈頭的洲際彈道導彈對導彈的激光防御：防御導彈和帶核彈頭的洲際彈道導彈發(fā)射激光的成本要比發(fā)射反導導彈的成本低得多，而且不會產(chǎn)生后坐力和后效應。需要使用的激光能量由目標的類型而定。遠程情況下由于大氣湍流會使得遠距離摧毀導彈及其他軍事目標十分困難。有人提出采用自適應光學的技術(shù)，但這無疑會加大成本，并且

17、，自適應光學系統(tǒng)十分復雜，在摧毀遠距離目標時能量消耗也十分大，能量的降低就意味著需要持續(xù)好幾秒來跟蹤目標并投射激光才能達到預期效果，這顯然是不切實際的。近程情況下，大氣湍流及其他影響可以忽略，這時使用脈沖激光器，縮短脈沖時間并增加激光能量，可以對目標實現(xiàn)摧毀。但，納秒激光器會出現(xiàn)汽化和燒蝕現(xiàn)象，即材料不經(jīng)過液態(tài)而直接由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。該過程產(chǎn)生的沖擊波會使其他類型的材料在原子層面上失效。單枚洲際彈道導彈可以攜帶多個核彈頭，這也讓一個核國家可以瞬間毀滅另一個國家成為可能。據(jù)預測2015年將會有超過十個國家擁有能覆蓋美國和能多其他國家的攜帶核彈頭的洲際導彈的能力，這象征著巨大的威脅。為了防御，198

18、3年美國政府提出了戰(zhàn)略防御計劃（SDI）并且很快就冠名以“星球大戰(zhàn)”計劃。其目的就是通過阻止任何抵達美國上空或者在美國上空爆炸的核彈來完全消除核導彈的威脅。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應用防御軍事威脅的應用對導彈的激光防御：防御洲際彈道導彈的機載激光計劃對導彈的激光防御：防御洲際彈道導彈的機載激光計劃在上世紀80年代末，興趣轉(zhuǎn)向了一個更加具體的武器系統(tǒng)：機載激光系統(tǒng)（ABL）。相比于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)，這個系統(tǒng)成功的可能性更加大。圖示就是用于防御洲際彈道導彈的（ICBM）機載激光系統(tǒng)。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應用防御軍事威脅的應用對導彈

19、的激光防御：對自動尋的導彈的防御對導彈的激光防御：對自動尋的導彈的防御單兵肩扛式導彈發(fā)射器在20世紀50年代得到應用。目前，世界上有25個國家可以發(fā)射這種武器。為此，人們設計了一種叫做對抗吊艙的裝置。圖為裝有“噴氣機眼”對抗系統(tǒng)的飛機。用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應用防御軍事威脅的應用惡劣天氣下對目標探測惡劣天氣下對目標探測/跟蹤跟蹤/識別的識別的94GHz雷達：雷達：94GHz雷達運用了前面所提的許多光學技術(shù)，因為該頻率落在光波與微波之間，因此具有很多優(yōu)良的性質(zhì)。該頻率被認為屬于毫米波段的上部，且在多個應用領(lǐng)域有超過光波和毫米波的獨特優(yōu)勢。被歸類為W波段（75110GHz）的頻率具有數(shù)毫米（42.7mm）的波長，能夠穿透更小的顆粒。人們特別感興趣的就是，它落在一個大氣窗口內(nèi)，而且在空氣中的波長為。處于光波和微波之前的電磁波可以利用上述的自由電子激光器或者其他回旋加速諧振腔及放大器在高功率的情況下高效率產(chǎn)生，而且它的分辨率和清晰度要好于一般的常規(guī)雷達。94GHz的大氣窗口處，3.2mm的波長介于光波和毫米波之間。與光波相比，94GHz可以穿過絕大多數(shù)的類似霧，煙，粉塵，雪，雨等惡劣天氣。同時，其分辨率也好于微波。mmfc2 . 3/GHzf94用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應用防御軍事威脅的應用惡劣天氣下對