哈工大光電對(duì)抗讀書(shū)報(bào)告演講

MilitaryLaserTechnologyforDefenseTechnologyforRevolutionnizing21stCenturyWarfare，AlasttairD.McAulay軍用激光防御技術(shù)

——變革21世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)1110530110張常樂(lè)目前一頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學(xué)射線(xiàn)費(fèi)馬原理：1658年，費(fèi)馬提出了物理學(xué)中最早的變分原理之一，即支配著幾何光學(xué)的基本原理:一條光線(xiàn)在P1和P2兩點(diǎn)之間將通過(guò)最短光程傳播，沒(méi)有替他光程或更短的長(zhǎng)度。對(duì)于通過(guò)折射率為n的一條路徑而言，光程長(zhǎng)度與在空氣中的光程長(zhǎng)度相等。目前二頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學(xué)射線(xiàn)費(fèi)馬原理推倒光線(xiàn)方程：光線(xiàn)方程在幾何光學(xué)中十分關(guān)鍵，他描述了一條光線(xiàn)通過(guò)折射率在三維空間變化的非均勻介質(zhì)時(shí)的路徑。在費(fèi)馬原理中的光程長(zhǎng)度可以從等式分解出dz而寫(xiě)出：亦可以寫(xiě)成，式中被積分函數(shù)F具有泛函數(shù)的形式。由于，。類(lèi)似的可以用于Fy，F(xiàn)z。繼而推導(dǎo)出光線(xiàn)方程是目前三頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學(xué)單一薄膜透鏡成像：目前四頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學(xué)擴(kuò)束器：擴(kuò)束器通常用于增大光武器和光通信的光束直徑。擴(kuò)束器會(huì)減弱光線(xiàn)在大氣中傳輸時(shí)的衍射效應(yīng)。目前五頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)發(fā)射和接收光學(xué)縮束器：在光通信鏈路中，有時(shí)要將入射光線(xiàn)光束直徑從d1減小到d2，以滿(mǎn)足接收器的光學(xué)傳感器尺寸。目前六頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振高斯光束：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(qiáng)拋物面可近似為高斯分布，這就構(gòu)成了高斯光束。不同類(lèi)型的激光其遠(yuǎn)場(chǎng)與高斯光束的符合程度不同。在激光二極管中，光束從一個(gè)小波導(dǎo)中發(fā)出，這會(huì)導(dǎo)致高數(shù)通過(guò)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(huì)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(gè)參數(shù)——平均值和方差；與之相似，高斯光束也可以只用兩個(gè)參數(shù)表示——曲率半徑R和光斑半徑W。通過(guò)跟蹤這兩個(gè)參數(shù)，就可以對(duì)高斯光束在光學(xué)器件之間以及大氣湍流中的傳輸做出分析。目前七頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振偏振：偏振與電磁波傳輸中橫截面內(nèi)電場(chǎng)矢量的運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)來(lái)度量。目前八頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振波片和波片：對(duì)于半波長(zhǎng)撥片，通過(guò)的光線(xiàn)相位會(huì)超前或滯后目前九頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振波片和波片：對(duì)于四分之一長(zhǎng)撥片，通過(guò)的光線(xiàn)相位會(huì)超前或滯后目前十頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)高斯光束與偏振偏振控制器：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(duì)稱(chēng)，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(gè)或者四個(gè)波片連續(xù)排列來(lái)做成一個(gè)偏振控制器當(dāng)一個(gè)光纖繞其主軸纏繞時(shí)，光纖上所施加的的壓力會(huì)改變兩個(gè)正交方向上的相對(duì)折射率目前十一頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學(xué)衍射傅里葉變換測(cè)不準(zhǔn)原理：由于對(duì)衍射場(chǎng)進(jìn)行精確計(jì)算不同，人們可以利用傅里葉變換的測(cè)不準(zhǔn)原理獲得光源處場(chǎng)寬度與遠(yuǎn)場(chǎng)信息最小寬度之間的關(guān)系。傅里葉變換的測(cè)不準(zhǔn)原理是與量子力學(xué)的還三包測(cè)不準(zhǔn)原理密切相關(guān)的。時(shí)域傅里葉變換的測(cè)不準(zhǔn)原理時(shí)域傅里葉變換(或諧波分析)的測(cè)不準(zhǔn)原理規(guī)定，由于傅里葉變換的伸縮性，那么我們?cè)跁r(shí)域?qū)⑿盘?hào)壓縮到1/a，它將會(huì)在頻域伸展至a倍，反之亦然。那么我們期望找到能同時(shí)精確預(yù)測(cè)脈沖位置及其頻率的兩者的一個(gè)極限，在此極限中，一個(gè)象征時(shí)間精確知道的時(shí)域，其對(duì)應(yīng)的頻域函數(shù)將會(huì)趨于無(wú)窮大，也就無(wú)法預(yù)知。目前十二頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)光學(xué)衍射傅里葉變換測(cè)不準(zhǔn)原理：空域傅里葉變換的測(cè)不準(zhǔn)原理 小角度目前十三頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)標(biāo)量衍射及極限成像標(biāo)量衍射：我們都知道來(lái)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(shè)電磁波場(chǎng)入射到遮光板的透鏡函數(shù)為U(x,y),希望得到目標(biāo)上的電磁場(chǎng)?？梢允刮覀兡軌蛟诩す馐┻^(guò)大氣一投射能量后對(duì)電磁波進(jìn)行預(yù)測(cè)，投射的激光能量可以用于激光武器和在光通信中發(fā)射和接收的信號(hào)。我們可以把相界面上的孔點(diǎn)看成是新點(diǎn)場(chǎng)源目前十四頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)傳輸和大氣湍流

大氣層中的空氣運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)速度v(x,y,z)劇烈的隨機(jī)漲落(脈動(dòng))來(lái)描述。溫度在三維空間(x,y,z)的隨機(jī)變化將會(huì)伴隨著速度的隨機(jī)漲落?？諝怆S溫度的膨脹和收縮將會(huì)造成空氣密度的隨機(jī)變化，進(jìn)而導(dǎo)致折射率n(x,y,z）的被動(dòng)隨機(jī)變化。當(dāng)一束光穿過(guò)大氣時(shí)，折射率的隨機(jī)變化將會(huì)造成其傳播路徑的隨機(jī)彎曲，因此，光束的擴(kuò)散和偏移程度要比衍射更加厲害。討論折射率的影響時(shí)，稱(chēng)大氣湍流為光學(xué)湍流。統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)

折射率在空間隨機(jī)漲落，從激光器發(fā)出的激光將會(huì)采取一條略有不同的路徑通過(guò)大氣。不同路徑的空間集合被稱(chēng)為隨機(jī)場(chǎng)。每條路徑都是其中的一個(gè)元素，由于隨機(jī)性，路徑在實(shí)際上不可預(yù)測(cè)的，那么用<a>來(lái)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(jì)：平均值和方差。這時(shí)候空間路徑的均勻場(chǎng)就相當(dāng)于隨機(jī)過(guò)程中的一個(gè)廣義穩(wěn)態(tài)過(guò)程。首先，由于隨機(jī)場(chǎng)的完備性，這個(gè)場(chǎng)是一個(gè)遍歷的場(chǎng)，可以包含所有狀態(tài)的隨機(jī)過(guò)程。那么我們通過(guò)對(duì)樣本平均值和方差的測(cè)量，就可以根據(jù)泊松流原理估計(jì)出激光在大氣中傳播的路徑函數(shù)，進(jìn)而得出相應(yīng)的傳輸模型。。目前十五頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)傳輸和大氣湍流大氣中的光學(xué)湍流：大氣中或者別處的湍流被認(rèn)為是源于介質(zhì)中速度流的統(tǒng)計(jì)學(xué)變化。速度的劇烈變化將會(huì)導(dǎo)致壓力和溫度的變化?？諝獾恼凵渎室矔?huì)被動(dòng)的變化。在不存在速度混合時(shí)，流體是分層的。進(jìn)入到氣流中的突出體會(huì)導(dǎo)致速度混合，產(chǎn)生迅速變化的漩渦。當(dāng)雷諾數(shù)Re超過(guò)下限值，湍流就會(huì)出現(xiàn)：。V速度，l尺寸，v是粘滯度（單位）。慣性力使這些漩渦破碎以減小其尺寸，直到達(dá)到尺寸。在處，吸收速率大于能量注入速率，那么漩渦通過(guò)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(guò)級(jí)聯(lián)理論就可以知道結(jié)構(gòu)函數(shù)和相應(yīng)的空間功率譜。目前十六頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)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)超束縛電子態(tài)激光器原理：?jiǎn)卧~laser(激光器)取自于lightamplificationbystimulatedemissionofradiation（受輻射式微波放大器）的首字母縮寫(xiě)，而名稱(chēng)maser（微波激射器）則取自microwaveamplificationbystimulatedemissionofradiation（受輻射式微波放大器）的字母縮寫(xiě)。受輻射指的是軔致輻射（Bremsstrahlungradiation），它將電子向下能級(jí)躍遷產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換變成微波輻射或者光輻射。對(duì)于相干光輻射，低于1GHz的被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電輻射（RF即射頻）；1~100GHz的被稱(chēng)為微波，可以利用微波激射器產(chǎn)生；100~300GHz的被稱(chēng)為毫米波，它落在微博激射和激光之間；高于300GHz的時(shí)候，稱(chēng)為光，可以用激光器產(chǎn)生。更高頻率的有X射線(xiàn)，射線(xiàn)，核子射線(xiàn)和宇宙射線(xiàn)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。目前十七頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)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)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(shì)激光器中的相干光具有很多優(yōu)勢(shì)，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(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，用于激光武器；可以探測(cè)化學(xué)和生物武器，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)與分子和細(xì)菌的尺寸相當(dāng)；在Hz頻率內(nèi)提供了bit/s的發(fā)送潛力，相當(dāng)于每秒傳送一百萬(wàn)億比特的信息；短波長(zhǎng)衛(wèi)星的成像和夜視相機(jī)的實(shí)現(xiàn)可能性。其最重要的優(yōu)勢(shì)就是其能量接近單頻，從而產(chǎn)生一個(gè)逼近于零的熵（不確定度），在一個(gè)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(guò)程中是高效率的。在將來(lái)，能量主要會(huì)被用于照明和計(jì)算，那么能源產(chǎn)生和分配新途徑成為可能。目前十八頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)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)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)相互作用基本理論愛(ài)因斯坦的光與物質(zhì)相互作用理論解釋了電子在能級(jí)躍遷的下列方式吸收：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(huì)以電子較低的E1能級(jí)穿過(guò)帶隙躍遷至較高的E2能級(jí)的方式被吸收。該光子被儲(chǔ)存在高能級(jí)中。此處的泵浦就是把外部能量通常會(huì)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(lì)到較高的能級(jí)高能態(tài)。光子的自發(fā)發(fā)射：外部無(wú)影響的情況下，電子從高能級(jí)隨機(jī)地落到低能級(jí)中會(huì)發(fā)出光子。光子的受激勵(lì)發(fā)射：入射光子激勵(lì)一種具有增益和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)n2>n1的激光介質(zhì)，從而導(dǎo)致電子從能級(jí)E2落到E1。非放射式的退激發(fā)：一個(gè)電子可以從高能級(jí)落到低能級(jí)而不產(chǎn)生一個(gè)光子的過(guò)程。損失的能量可以通過(guò)平動(dòng)，振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)或者其他類(lèi)似的形式出現(xiàn)。目前十九頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)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)半導(dǎo)體激光器束縛電子態(tài)激光器的最簡(jiǎn)單模型需要包含兩個(gè)成為“速度方程”的一階線(xiàn)性偏微分方程，他描述了兩個(gè)儲(chǔ)備之間的相互作用：一個(gè)提供電子載流子密度即每立方米內(nèi)的載流子個(gè)數(shù)或者電子數(shù)N，另一個(gè)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(shí)間常數(shù)，相互作用過(guò)程十分復(fù)雜。因?yàn)椴皇侵饕芯康哪康?，故不詳?xì)介紹。目前二十頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)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)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)射器目前二十一頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應(yīng)用對(duì)導(dǎo)彈的激光防御：防御導(dǎo)彈和帶核彈頭的洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射激光的成本要比發(fā)射反導(dǎo)導(dǎo)彈的成本低得多，而且不會(huì)產(chǎn)生后坐力和后效應(yīng)。需要使用的激光能量由目標(biāo)的類(lèi)型而定。遠(yuǎn)程情況下由于大氣湍流會(huì)使得遠(yuǎn)距離摧毀導(dǎo)彈及其他軍事目標(biāo)十分困難。有人提出采用自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)，但這無(wú)疑會(huì)加大成本，并且，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)十分復(fù)雜，在摧毀遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)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(lái)跟蹤目標(biāo)并投射激光才能達(dá)到預(yù)期效果，這顯然是不切實(shí)際的。近程情況下，大氣湍流及其他影響可以忽略，這時(shí)使用脈沖激光器，縮短脈沖時(shí)間并增加激光能量，可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)摧毀。但，納秒激光器會(huì)出現(xiàn)汽化和燒蝕現(xiàn)象，即材料不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。該過(guò)程產(chǎn)生的沖擊波會(huì)使其他類(lèi)型的材料在原子層面上失效。單枚洲際彈道導(dǎo)彈可以攜帶多個(gè)核彈頭，這也讓一個(gè)核國(guó)家可以瞬間毀滅另一個(gè)國(guó)家成為可能。據(jù)預(yù)測(cè)2015年將會(huì)有超過(guò)十個(gè)國(guó)家擁有能覆蓋美國(guó)和能多其他國(guó)家的攜帶核彈頭的洲際導(dǎo)彈的能力，這象征著巨大的威脅。為了防御，1983年美國(guó)政府提出了戰(zhàn)略防御計(jì)劃（SDI）并且很快就冠名以“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃。其目的就是通過(guò)阻止任何抵達(dá)美國(guó)上空或者在美國(guó)上空爆炸的核彈來(lái)完全消除核導(dǎo)彈的威脅。目前二十二頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應(yīng)用對(duì)導(dǎo)彈的激光防御：防御洲際彈道導(dǎo)彈的機(jī)載激光計(jì)劃在上世紀(jì)80年代末，興趣轉(zhuǎn)向了一個(gè)更加具體的武器系統(tǒng)：機(jī)載激光系統(tǒng)（ABL）。相比于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)，這個(gè)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(dǎo)彈的（ICBM）機(jī)載激光系統(tǒng)。目前二十三頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應(yīng)用對(duì)導(dǎo)彈的激光防御：對(duì)自動(dòng)尋的導(dǎo)彈的防御單兵肩扛式導(dǎo)彈發(fā)射器在20世紀(jì)50年代得到應(yīng)用。目前，世界上有25個(gè)國(guó)家可以發(fā)射這種武器。為此，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種叫做對(duì)抗吊艙的裝置。圖為裝有“噴氣機(jī)眼”對(duì)抗系統(tǒng)的飛機(jī)。目前二十四頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應(yīng)用惡劣天氣下對(duì)目標(biāo)探測(cè)/跟蹤/識(shí)別的94GHz雷達(dá)：94GHz雷達(dá)運(yùn)用了前面所提的許多光學(xué)技術(shù)，因?yàn)樵擃l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(rèn)為屬于毫米波段的上部，且在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有超過(guò)光波和毫米波的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。被歸類(lèi)為W波段（75~110GHz）的頻率具有數(shù)毫米（4~2.7mm）的波長(zhǎng)，能夠穿透更小的顆粒。人們特別感興趣的就是，它落在一個(gè)大氣窗口內(nèi)，而且在空氣中的波長(zhǎng)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(dá)。94GHz的大氣窗口處，3.2mm的波長(zhǎng)介于光波和毫米波之間。與光波相比，94GHz可以穿過(guò)絕大多數(shù)的類(lèi)似霧，煙，粉塵，雪，雨等惡劣天氣。同時(shí)，其分辨率也好于微波。目前二十五頁(yè)\總數(shù)二十九頁(yè)\編于二點(diǎn)用于防御系統(tǒng)的激光技術(shù)防御軍事威脅的應(yīng)用惡劣天氣下對(duì)目標(biāo)探測(cè)/跟蹤/識(shí)別的94GHz雷達(dá)：目前二十