高重頻CO2激光干擾技術研究

陳 健,高慧斌

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引 言

激光對抗武器在系統構成與作戰模式上與戰術激光武器十分接近，所不同的是，前者主要以干擾、致盲精確制導武器光電傳感器為主；后者則更注重對導彈、飛機等目標的硬殺傷。

例如，防空激光對抗武器亦屬于激光武器的一種，它以空-地精確光電制導武器為主要作戰對象；以干擾、致盲導彈光電傳感器或機載光學系統為主要作戰目標。通過使其光電傳感器迷茫、飽和或暫時失效，從而導致精確光電制導武器偏離航線，光電觀瞄設備失去正常工作能力，其對抗能力介于激光致盲武器與戰術激光武器之間，是光電有源干擾中最重要的一種對抗手段，也是今后相當一段時間內光電對抗發展的重點[1]。

激光對抗武器具備一些不同于硬殺傷激光武器和對人眼實施激光致盲煩擾設備的特點，主要體現為以下幾個方面：(1)對目標的破壞能力介于激光武器與激光致盲武器之間；(2)激光器的輸出功率與跟瞄精度比硬殺傷激光武器略低；(3)通常采用與對方光電探測工作波段相近的重頻脈沖激光實施干擾。

由于防空型激光對抗武器系統的主要作戰對象是空-地光電制導武器，所以首選激光器為Nd∶ YAG固體激光器和CO2氣體激光器。Nd∶ YAG固體激光器的主要干擾對象是空-地激光制導武器與光學觀瞄設備；而CO2氣體激光器的主要干擾對象則為空-地紅外成像制導武器。

激光對抗武器的干擾/破壞對象主要是光電探測器、光學材料、光學系統，以及非光學材料。但對于長波CO2激光對抗武器來說，則具體有：(1)中遠紅外光電傳感器，包括HgCdTe(PC)、HgCdTe(PV)、InSb和熱釋電傳感器；(2)長波紅外成像系統；(3)光學透鏡及光學材料，包括微光一代管、氟化鎂和氟化鋇等材料；(4)光學薄膜；(5)硬材料，包括玻璃鋼和鋁鎂合金等[2]。

高重頻激光是指激光脈沖頻率1 kHz以上的激光。高重頻CO2激光由于具有重復頻率高、峰值功率大等優點在軍事和工業方面有著重要的應用。

2 紅外探測器與紅外熱像儀系統的激光干擾損傷效果檢測

激光損傷閾值的檢測方法與激光干擾/損傷閾值的定義密切相關。對于一個激光干擾系統來說，不僅關心作戰對象-光電探測器本身的激光損傷閾值，更重要的是其在一個比較接近實際應用系統中的受干擾情況。圖1給出對紅外探測器與紅外熱成像系統進行激光損傷閾值檢測的原理示意圖。

圖1 紅外探測器與紅外熱成像系統進行激光損傷閾值檢測的原理示意圖 Fig.1 Schematic of laser damage threshold detection of infrared detector and infrared thermal imager

圖1中500K黑體作為紅外探測器的參考信號源，該光源信號經調制盤調制后，以1 000 Hz的脈沖信號送至受試器件上，經光電轉換前置放大主放大器選頻電路示波器及計算機，從監視器屏幕上可以看到紅外探測器正常工作時輸出的正弦信號波形。再加入一路干擾信號，信號源為重頻CO2激光器。該光束經分束器分束，一路送激光功率計進行監測，另一路經光學衰減器>光學會聚透鏡>受試對象，與參考信號同時被放大選頻，最后得到的是加入干擾激光信號后的器件輸出波形。通過增減光學衰減器組的衰減片數，可以改變到達探測器上的干擾激光強度。在實驗中可以將系統從正常工作≥受弱干擾≥器件失效的全部過程記錄下來。然后再用同一型號的其他幾個器件在“受到干擾”和“破壞閾值”的激光功率點上進行驗證，以便比較準確地確定“閾值”的量級[3]。

將光電探測器輸出信號波形發生畸變時對應的干擾激光功率密度(W/cm2)稱為“干擾閾值”；將探測器輸出信號為零時的干擾激光功率密度(W/cm2)稱為“破壞閾值”。

3 光學元器件激光變形損傷效果檢測

光學元器件是指工作在可見光波段的各種光學透鏡，它們本身對10.6 μm的激光是不透明的，換言之，是強吸收的。故在實際應用中，恰恰能夠利用長波激光對其造成損傷，由此擴展激光對抗系統對非工作波段光學系統的作戰能力。下面描述光學透鏡在10.6 μm激光照射下，因受熱可能產生的變形、打毛或破裂的實驗檢測情況。圖2所示的是一套光學鏡片形變自動檢測系統。

圖2 光學鏡片形變自動檢測系統 Fig.2 Schematic of auto detection system of optical lens deformation

變形量檢測基于邁克耳遜干涉儀的測厚原理(見圖3)。實驗中，把受試鏡片插入其中一臂光路中，調整兩塊反射鏡之間的位置，在邁氏干涉儀觀察屏上得到完好的干涉花紋，同時在觀察屏處放置一個光電接收器件，用以接收亮條紋。亮條紋經放大、濾波處理后，送至示波器、計算機與計數器。條紋不移動時，計數器為零，示波器屏幕上顯示的是一組均勻的邁氏條紋；一旦加入干擾激光并達到一定功率水平時，光學透鏡因受熱，發生畸變，導致干涉條紋發生變化，最終光電接收器收到一組條紋移動并傳至計數器計數，示波器上波形移動。上述檢測中，可在很短時間內自動測出條紋移動的個數，在已知其他一些參量后，就可準確計算被測物體的變形量，將光學元件形變時對應的入射激光功率密度定義為“變形閾值”。通過對其形變量的檢測可推算透鏡畸變對一個光學系統成像所帶來的影響。

在圖3所示的邁克耳遜干涉儀中，當改變M1或M2反射鏡的位置時，兩束相干光的光程將會改變，在觀察屏上就會觀察到干涉條紋的移動。

圖3 光學鏡片形變自動檢測原理示意圖 Fig.3 Schematic of auto detection principle of optical lens deformation

若邁克耳遜干涉儀中的光源是波長為λ，亮度為B的單色光，則在觀察屏幕上接收到的輻射通量E如式(1)所示。

E=Bcos2σ/2 . (1)

若以光程差Δ代替相位差σ，則E如式(2)所示。

E=Bcos2(πΔ/λ)=

B+Bcos[(2π/λ)Δ] . (2)

式(2)表示觀察屏處的光輻射通量是光程差的余弦函數。如果在觀察屏處放置一個光接收器T，則當光學鏡片受強激光照射發生形變時，邁克耳遜干涉儀中兩相干光束，將產生額外的光程差Δ，由此引起條紋移動。T接收到干涉圖形某點處的亮暗變化，并輸出一個余弦變化的電信號，該電信號經放大、整形、觸發TTL計數器。記錄光電接收器R接收到的邁克耳遜干涉條紋移動個數N，即可根據下式計算出光學鏡片形變量l，如式(3)所示。

式中，l為形變量；N為計數器計出條紋數目；n為透鏡折射率；λ波長。

此處的光電接收器為PIN管，與一個寬帶低噪聲放大器混合組成光電接收器件。其響應率為350 μV/μW(λ=0.84 μm)；帶寬1 MHz；脈沖上升/下降時間為250 ns；輸出端RMS噪聲≤400 μV；光敏面直徑為0.5 mm。

上述系統的特點是：檢測精度高、速度快、觀察直觀。檢測精度可達千分之六毫米；檢測速度達每秒1兆個條紋數；并可直接通過顯示器觀察形變量。

4 激光損傷效果檢測

光學薄膜、光學元件和硬材料本不屬同類受試對象，但因其檢測光路大同小異，故此處一并描述。圖4給出光學薄膜(或光學元器件、硬材料)激光損傷實驗示意圖。

圖4 激光損傷實驗示意圖 Fig.4 Flow chart of laser damage experiment

雖然激光照射下光學薄膜的損傷閾值檢測屬于一種傳統和常規檢測，但在重頻CO2激光照射下的實驗數據報道的并不多。本實驗的受試對象為以石英或硒化鋅等材料做基底的ZnS-A9-ZnSe膜系，通過監測膜片反射率的變化進行激光損傷效果的間接檢測。圖4中在受試對象下方放置的激光功率計用于讀取膜片在正常情況下與受損情況下的反射率變化。

光學元件“破壞”是指除形變以外的諸如“打裂”或“破碎”時對應的激光閾值。受試樣品包括可見光透鏡、微光一代管、氟化鎂和氟化鋇材料。圖4中在受試對象后側方安置的攝像機，可將器件受損的全過程記錄下來。

硬材料的破壞閾值主要指材料在激光照射下的“燒灼”閾值，受試樣品有玻璃鋼和鋁鎂合金材料。玻璃鋼是導彈頭罩最常用的材料，而鋁鎂合金則是導彈、飛機外殼的蒙皮材料。試驗時將干擾激光會聚到受試樣品上，直接用肉眼觀察其燒灼情況。

5 激光損傷閾值實驗結果與討論

表1給出了前述各類器件的激光損傷數據，表中按破壞程度不同，將損傷閾值分成幾種，即：干擾閾值、破壞閾值和其他閾值(如光學元件的變形閾值，硬材料的燒灼閾值等)。表中還給出了試驗用激光器的參數(照射時間、重頻率)和光路參數(會聚光斑的尺寸)，以及一些受試對象參數，如紅外探測器的D*值、材料直徑、厚度等，同時注明受到干擾或破壞的程度。

表1 不同對象的激光損傷閾值數據

5.1 紅外單元探測器實驗結果

圖5 4種紅外探測器的激光破壞閾值比較(10.6 μm) Fig.5 Comparison of laser damage thresholds of four infrared detectors(10.6 μm)

上述實驗涉及HgCdTe(PC)、InSb和熱釋電傳感器3種紅外探測器，它們均為當今中遠紅外軍用系統中大量使用的探測器件。在10.6 μm重頻300 Hz激光照射下，激光干擾閾值大約為6×10-1～2.5×102W/cm2，破壞閾值大約為(6～2.5)×102W/cm2。從實驗數據與相關干擾現象中可看出：在HgCdTe(PC)、HgCdTe(PV)和熱釋電傳感器這3種均可對10.6 μm激光響應的器件當中，HgCdTe(PV)的激光損傷閾值最低，熱釋電器件的激光損傷閾值比之高1倍；HgCdTe(PC)的激光損傷閾值比之高24倍。而InSb器件因對10.6 μm激光不響應，因此損傷閾值更高。圖5給出了上述4種器件在比較接近的試驗條件下獲取的破壞閾值示意圖。由圖5可看出，波長匹配器件的破壞閾值低，反之亦然[4-5]。

HgCdTe探測器分光伏型HgCdTe和光導型HgCdTe。在同樣激光功率照射下，光伏型HgCdTe較光導型HgCdTe的破壞閾值大約低一個量級。由此可見，如果要對光電傳感器實施干擾與破壞，激光波長應是被干擾器件的工作波長；而在長波HgCdTe接收器件的選擇上，如果為了提高其激光損傷能力，則應首選光導型器件[6-7]。

對照前述4類器件的干擾閾值與破壞閾值可以看出，“干擾閾值”通常要比“破壞閾值”至少低一個量級以上。例如，表1給出的HgCdTe(PC)的干擾閾值為17～22 W/cm2，而破壞閾值為174～221 W/cm2；HgCdTe(PV)的干擾閾值為0.64 W/cm2，而破壞閾值為6.6 W/cm2。

通常重頻激光的損傷閾值比單脈沖或連續激光的損傷閾值低。由表2列出的HgCdTe器件激光損傷數據可知，重頻脈沖激光損傷閾值對應的是平均功率密度閾值；連續激光損傷閾值對應的是連續功率密度閾值；單脈沖激光損傷閾值對應的是峰值功率密度閾值。如以HgCdTe(PC)器件為例，重頻激光下損傷閾值比連續激光下的閾值低一個數量級，比脈沖激光下的閾值低5個數量級。這是由于重頻激光既有較高的峰值功率(實驗用激光器的峰值功率為5 MW)，同時又有很高的平均功率(300 W)，所以它對器件具有脈沖積累損傷作用，即當第一個脈沖已致使器件發生損傷斑痕后，它本身就形成一種缺陷，變得比較脆弱，再有后續激光脈沖照射時，將導致該區域激光能量的吸收增加或破裂面積擴展，由此造成重頻激光下具有較低損傷閾值[8-9]。

表2 幾種激光器損傷閾值比較

5.2 紅外探測系統實驗結果

當照射激光功率處于干擾量級時，重頻脈沖為10.6 μm激光干擾信號被紅外探測系統所接收，并進入其放大電路的通頻帶。當干擾激光功率達到器件飽和水平時，雖然已經超出了紅外系統能夠自動增益控制的限度，使之無法正常檢測信號，但還未達到使其永久損壞的程度。所以，干擾信號一旦消失后，系統馬上又恢復正常工作。激光干擾前后紅外器件的信號輸出情況如圖6所示。雖然此時探測器并未真正被破壞，但這種激光干擾對于任何一個制導或跟蹤系統來說，都將構成致命打擊。因為整個系統在不能正常工作期間將因丟失尋找或跟蹤目標而偏離預定的航線。

圖6 紅外探測器受干擾前后輸出信號波形 Fig.6 Output signal wave shapes of infrared detector before and after interference

紅外成像系統的激光干擾閾值通常要高于單元器件的相應閾值，這一規律從表1所列數據也可看出。例如，紅外成像系統發生干擾的閾值大約在幾百瓦每平方厘米，而單元HgCdTe(PC)器件的干擾閾值僅為幾十瓦每平方厘米，雖然前者比后者的激光干擾閾值要高出一個數量級。分析其原因為，紅外成像系統為一個掃描系統(25 frame/s)，而干擾激光是以一定重復頻率發射(300 Hz)的脈沖串。在此情形下，即使每一個激光脈沖干擾信號都可以進入到紅外成像系統的掃描視場中，則紅外系統中絕大多數的激光脈沖信號是以一定的傾斜角度射到探測器上的。所以，對于掃描成像系統來說，在同樣的1 s內，能夠落在成像面上的干擾脈沖個數顯然大大少于落到一個獨立單元器件上的個數，這樣激光脈沖對于器件的積累損傷效應就不夠強。若想增強干擾效果，就需要提高單脈沖激光的能量，或是進一步提高激光的照射頻率。

5.3 光學元件實驗結果

10.6 μm激光對非工作波段光學透鏡(尺寸、厚度、材料均不同)、微光夜視一代管、氟化鎂和氟化鋇材料的損傷效應不再是“干擾”，而直接是“損傷”。由表1所列重頻10.6 μm激光損傷閾值數據可以看到：10.6 μm激光對工作在可見光至近紅外區的光學材料具有很強的破壞效果，它既可造成材料表面變形，也可造成材料燒蝕與破壞。例如，微光夜視儀的像增強器在CO2激光照射下，光纖面板先是燒紅、著火，而后炸裂。而可見光玻璃材料的“打毛”現象很少，多是炸裂破壞。對氟化鎂和氟化鋇這類材料，通常在受照后按晶軸走向十分有規律的分裂成幾塊。由此可見，在一定的激光功率密度下，對于非工作波段材料，10.6 μm激光具有相當好的破壞效果。

光學元件樣品中如重冕牌玻璃、重鋇火石玻璃、F4玻璃、普通玻璃、K9玻璃、氟化鎂、氟化鋇，以及石英等幾種材料的損傷閾值，大致分布在11～31 W/cm2范圍之內。從數據的離散情況來看，激光損傷閾值與樣品尺寸、厚度等關系不是十分密切，但對不同材料有所不同。例如，對于氟化鎂材料，若直徑與厚度分別為Φ20 mm×1.6 mm，閾值范圍在11～14.8 W/cm2；而重鋇火石鏡片，當直徑與厚度分別為Φ32 mm×7 mm時，閾值范圍則為22.3～30.8 W/cm2。

5.4 光學薄膜實驗結果

實驗樣品為以K9玻璃和熔石英做基底，采用電子束蒸鍍或離子鍍方法制作的ZnS和ZnSe膜層。它們是一組可透過可見光和近紅外光，可反射10.6 μm的分色膜，樣品尺寸分別為Φ10 mm和Φ35 mm。

實驗表明上述ZnS-Ag-ZnSe膜片的激光損傷閾值大約在200 W/cm2量級。可看到以下一些現象，即：石英基底比K9基底材料的損傷閾值高；ZnS膜系的損傷閾值比ZnSe高；離子鍍工藝的膜層抗損傷能力好于電子鍍工藝；重頻激光損傷閾值低于單脈沖損傷閾值；采用相同直徑的激光損傷光斑時，小尺寸膜片比大尺寸膜片的損傷閾值低[10]。

5.5 其他材料實驗結果

實驗樣品有玻璃鋼和鋁鎂合金兩種，樣品厚度大約在2 mm左右。激光器波長為10.6 μm、脈寬為0.2 μs、重頻為300 Hz，會聚激光斑直徑Φ2 mm。能夠達到的損傷效果是：由于玻璃鋼對10.6 μm波長具有較高的吸收系數，所以玻璃鋼的激光損傷閾值僅為8～12 W/cm2。鋁鎂合金材料則對10.6 μm波長具有很高的反射系數，入射激光幾乎全部被反射，所以在現有激光功率密度下，看不到任何激光損傷的跡象。

國外對長波激光損傷導彈導引頭材料也開展了很長時間的研究，表3給出一些典型的實驗數據。由于激光器參數、實驗條件，以及受試對象不同，所以表中所列數據原則上與不同條件下獲得的數據不具有直接的可比性。表3見附錄。

表3 CO2激光破壞導彈導引頭材料實驗數據

6 結 論

激光制導武器在實戰中表現出了出色性能，使各國對激光干擾技術都非常重視。本文針對高重頻CO2激光干擾技術展開分析和研究。首先，本文概述了紅外探測器、紅外熱像儀和光學元器件的激光干擾損傷效果檢測。其次，本文分析了激光損傷效果檢測方法。然后，進行了激光損傷閾值實驗并對激光損傷閾值實驗結果進行了分析討論。

美國自上世紀70年代中期起，分別以野戰防空和機載自衛為目標，先后開展了多項激光對抗武器系統的開發與研制。經過20余年的努力，激光對抗武器不僅已逐步成為一代實用型光電對抗裝備，而且還為進一步發展更大功率的戰術激光武器與戰略激光武器奠定了重要技術基礎。