Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Институт государственного управления

Кафедра ,, Управление технологиями”,

РАСЧЕТНО ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

,,КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ,,

НА ТЕМУ: ЛАЗЕРЫ. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И

ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ.

Выполнила студентка Слепова И.П.

ф-та государственного управления

группы 1 вечернего отделения

Руководитель

Москва 1997 год.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

стр.

1. Введение 3-5

2. Причина удивительных свойств

лазерного луча. Когерентный свет. 6-7

а). Анатомия лазера 7-8

б). Типы лазеров: 9-10

- газоразрядные;

- эксимерные;

- элетроионизационные;

- химические.

3. Применение лазеров в военном деле 11

3.1. Лазерная локация 12-17

- характерные параметры.

3.2. Наземные лазерные дальномеры и

их применение в армиях. 18-27

4. Заключение 28-29

5. Использованная литература. 30

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 ХVШвеке 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 1896г . 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 1905г. 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 радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. В 1948 году был изобретен транзистор, в начале 60-х годов на смену ему пришли интегральные схемы - родилась микроэлектроника . Развитие атомной и ядерной физики привело к созданию атомной электростанции (с1954г) и судов с атомными двигателями( с 1959г). Телевидение, быстродействующие вычислительные машины, разнообразные компьютеры, промышленные роботы - такова наша сегодняшняя действительность.

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.

П. 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 высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом -излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим. Это есть некогорентный свет. В лазере же гигантское количество атомов излучателей высвечивается согласованно- в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет .

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Нечто подобное можно увидеть в действительности если включить гелий-неоновый лазер. Правда этот лазер маломощный настолько, что его луч можно спокойно ,,ловить,, в руку. К тому же луч не ,,ослепительно белый,, а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать. сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффективное зрелище - комната , как бы , перечеркнутая,, в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.

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.

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. 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 1-10мм 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 молекулярные лазеры)

Из огромного числа газоразрядных лазеров выделим три: гелий-неоновый( как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионовый лазер) и СО2- лазер (молекулярный лазер). (см.таблицы 113-115)

Гелий -неоновой лазер имеет три основных рабочих перехода , на длинах волн 3,39 и1,15 и 0,63 мкм.

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.

Ш. 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 оборонной инициативы - СОИ.

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, монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентноспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе ( где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой ( где лоя 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 разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения , по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик.

Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр пространства, позволяет определить направление на объект ( пеленг цели).

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 10м. Такую антенну трудно поставить на танк , а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

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 возможность определять дальность до объекта. Так. при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct и

2

где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения излучения км/с, t и -время прохождения импульса до цели и обратно, с.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем лучше ( при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно , что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с . А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них,см.рис.

Прежде всего з о н а д е й с т в и я . 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 в р е м я о б з о р а. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора являются о п р е д е л я е м ы е к о о р д и н а т ы . 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 р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь . Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как п о м е х о з а щ ищ е н н о с т ь . Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.

И весьма важной характеристикой локатора является н а д е ж н н о с т ь. 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 локатор состоит из трех блоков : передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего лока-тора - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.

Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра , приемника излучения , а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.

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 (допплеровские локаторы), собственно локаторы(дальность, азимут, и угол места).

CХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА

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,


29-04-2015, 04:04