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细说半导体激光器在军事上的各类应用

2015-11-12   杭州远华激光

自年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类 伟大的发明之一,近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展 快的一门激光技术。半导体激光器从 初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作,由小功率型向高功率型转变,输出功率由几mW提高到kW级(阵列器件)。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等270余种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVB)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。

  由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点,使得它目前在军事领域中应用非常广泛,它作为一种很有潜力的光源,已受到各国军方的高度重视。以美国为例,美国国防部、宇航局、各军兵种以及国家实验室等20多个部门都在为武器装备研制高功率半导体激光器,使得美国在这一领域处于世界领先地位。随着新型半导体材料不断涌现、半导体激光器结构的不断完善和半导体激光器应用的日益开拓,半导体激光器研究也取得了突飞猛进的进展。20世纪80年代开展了半导体激光器阵列的研究, 初主要集中在锁相阵列上,以求获得窄的衍射极限光束。这个工作一直到共振漏波耦合阵列出现才取得突破性进展。

  后来大功率半导体激光阵列成为目前应用范围 广泛的阵列器件。半导体激光列阵以激光条为基本单元,由于输出功率大、工作电流大、损耗热大,所以在器件优化上有一定的技术难点,要兼顾波长、发散角、阈值、效率等参数,因激光条与单元器件的管芯不同,它要求高均匀性、大面积,低缺陷密度的外延材料生长技术。根据量子阱激光器理论,通过对激光器的材料结构进行设计来满足阈值、波长、效率、发散角的要求,通过采用横向隔离技术来解决发光单元之间的干扰近年来,高功率半导体激光器阵列器件也得到了飞速的发展,已推出产品有连续输出功率5W、10W、15W、20W 和30W的激光器阵列。脉冲工作的激光器,峰值输出功率50W、120W、1500W和4800W的阵列也已经商品化。一个4.5cm×9cm的二维阵列,其峰值输出功率为350KW的二维阵列问世。

  美国是半导体激光器泵浦技术开发应用较早、进展 快的国家。日本、英国和德国的西门子公司早在1988-1989年就提供了高功率半导体激光器系列产品用作泵浦光源,目前国外用半导体激光器叠层阵列泵浦Nd;YAG激光器,输出功率达到1000W,预示着在军事装备领域应用的半导体激光技术将产生巨大变革。

  半导体激光雷达

  早在70年代,半导体激光雷达采用合作目标探测,就已用于舰船入港时避障和防撞,空间会合和高速或超高速干道上车辆的测距。例如美国国际电话公司在1967 年就研制出了第一代用于飞船交会制导的GaAs 扫描激光雷达,1977年研制出了第二代,作用距离90km,这种飞船载雷达机动性好,总重量为18kg。半导体激光雷达已用于卫星对接系统,该雷达系统由几个子系统组成,一部分安装在第一卫星上,另一部分安装在第二个卫星上。此外,在1977年之前美国就开发出了一种便携式GaAs激光雷达,它用GaAs激光器照明。进入80年代以后,非合作目标探测的半导体激光雷达发展起来并用于航天飞机回收卫星时的精确定位等。在海湾战争中,半导体激光雷达曾用于直升机在甲板上的起降控制和防止直升机夜间飞行中与沙丘碰撞。研制这种半导体激光雷达有美国Laser Technology和Laser Atlata等公司。此外,美国的休斯公司、Schwatz公司、Sparta公司、洛雷尔系统公司以及法国的汤姆逊公司等在80年代末至90年代初还分别研制出半导体激光成像雷达,用于战场侦察、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导等。半导体激光雷达已成功地用于常规兵器。

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