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Er,Yb:glass + Co:Spinel键合晶体激光器在国防领域的应用

引言

在现代军事技术中,激光技术的应用已经从最初的通信扩展到测距、目标识别、制导系统以及对抗系统等多个领域。特别是在需要眼安全、高稳定性以及紧凑结构的战场环境中,Er,Yb:glass +Co:Spinel 键合晶体激光器凭借其波长优势、能量稳定性和结构设计的灵活性,成为一种极具发展潜力的激光方案。本文将系统阐述该类激光器在国防领域中的具体应用、技术优势及发展前景。

一、激光器基础与键合晶体结构优势

Er,Yb:glass是一种以铒(Er³⁺)和镱(Yb³⁺)共掺杂的磷酸盐或硅酸盐玻璃材料,主要发射波长集中在1535 nm,处于人眼安全范围(>1400 nm)。这一波段不仅能够避免对士兵或目标人员视网膜造成永久性伤害,也能穿透薄雾、烟尘等复杂环境,具备很强的实战适应性。

图1. 铒玻璃

Co:Spinel(Co:Spinel,Co²⁺ 掺杂的 MgAl₂O₄)是一种具备宽带吸收能力的非线性光学材料,能够作为被动调Q器使用,实现无需主动调制的高峰值脉冲输出。通过将Er,Yb:glass与Co:Spinel采用表面激活键合技术结合为一体结构,既解决了玻璃热导率低的问题,又集成了增益介质和调Q元件,大幅提升系统稳定性与集成度。

二、在军事测距与目标识别系统中的应用

1. 激光测距仪(Laser Rangefinder)

1535 nm激光波长对人眼安全,适合近距离或中距离作战中的手持激光测距仪。在坦克、装甲车或无人战车上安装Er,Yb:glass + Co:Spinel键合晶体激光器系统,可对目标快速、准确测距,即使在人流密集区域或训练场地,也能安全操作。

此外,相比传统1064 nm Nd:YAG激光器,1535 nm激光能减少敌方光学探测设备的反侦测概率,增强战术隐蔽性。

图2. 1535nm激光器

2. 激光制导与目标锁定系统

在精确打击武器中,激光制导是关键一环。1535 nm激光器适用于引导智能弹药或无人机对目标进行精确打击。由于其穿透性强、散射小,即使在烟雾、尘土或复杂地形中也能保持较高指向稳定性。

在多目标场景中,短脉冲高峰值功率激光器还能实现目标间的快速切换与精确识别,提升打击效率。

三、在激光通信与战场信息系统中的应用

1. 自由空间激光通信(Free Space Optical Communication)

Er,Yb:glass激光器在远距离、高保密性的战术通信中具备突出优势。通过在车辆、舰艇或战场指挥单元间部署光通信系统,可以在不依赖无线电频率的情况下,实现高速、抗干扰的数据传输。

由于1535 nm波长在大气窗口内具有良好的传输性能,其通信系统不易被截获和干扰,具备较高的信息安全等级,适用于野战、前线指挥或无人平台的数据回传。

图3. 光纤通信

2. 与卫星通信系统对接

在军用卫星地面站与战场终端之间,通过使用稳定的Er,Yb:glass激光输出,可实现低损耗的数据上/下行传输,特别是在雷达或无线电信号受限的条件下,为战场提供连续、安全的战略信息支撑。

四、在激光对抗系统中的应用

1. 非致命激光压制与干扰

在特种作战或维和任务中,可利用Er,Yb:glass激光器的眼安全特性,对敌方光学传感器、夜视设备或光电探测系统进行“致盲式”干扰。这种非致命打击手段可在不造成人员伤害的前提下完成目标压制。

2. 高精度对抗引导系统

某些精密制导武器依赖激光回波信号定位目标,部署高重复频率的1535 nm激光器阵列,可用于模拟或干扰敌方引导系统,提高己方防御成功率。

五、系统集成与平台适配性优势

由于Er,Yb:glass + Co:Spinel键合晶体结构紧凑,热管理性能良好,可方便集成于无人机、单兵背负系统、战术车载平台中。在不同功率等级上,该激光器系统均能通过模块化设计进行快速部署,适应多种战术需求。

此外,该晶体结构的光束质量高(M²接近1.2),有利于远距离聚焦与高效传输,进一步增强系统实战性能。

六、发展前景与技术挑战

虽然当前Er,Yb:glass + Co:Spinel键合晶体激光器已经在部分国防项目中获得应用,但其在大规模部署与系统整合方面仍面临以下挑战:

  • 成本问题:高质量键合晶体的制备工艺复杂,制造成本高;
  • 稳定性与抗冲击性:需进一步优化结构材料以适应复杂环境下的长期运行;
  • 波长拓展与功能集成:将来可通过Tm³⁺或Ho³⁺等离子共掺扩展到2 μm波段,实现更广泛频段的激光对抗与通信功能。
图4. 车载雷达

结论

Er,Yb:glass + Co:Spinel键合晶体激光器凭借其出色的眼安全性、高峰值功率输出、优良的光束质量与集成能力,正在成为新一代国防光电系统的关键技术之一。随着激光材料、晶体键合和系统集成技术的不断进步,该类激光器将在未来的现代战争和战术系统中扮演更加核心的角色,助力国防科技向智能化、信息化迈进。

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