现代光学实验教学引领的“激光制导仪器装备”教学实践

李 刚， 黄富瑜， 毛少娟， 应家驹， 陈玉丹

(陆军工程大学(石家庄校区) 电子与光学工程系， 河北 石家庄 050000)

0 引言

近年来，半导体激光器、半导体泵浦固体激光器、光纤激光器等大批理论和技术成果得到应用。现代光学实验室建设和课程内容紧跟现代光学领域的前沿技术，并引入到实验教学[1～3]。现代光学实验配合“激光技术”、“光电技术”等课程培养学生的动手能力，在此基础上，后续开设“激光制导仪器装备”课程。“激光制导仪器装备”课程是围绕激光末制导、激光驾束制导、激光指令制导等武器系统开展装备教学，主要内容包括激光制导系统中的激光照射指示器、驾束制导仪等核心部件。在激光器光学系统、驱动电路、装调方法基础上，对实装仪器内部结构、战技指标、操作维护等内容熟练掌握。然而在实装教学时，激光器集成化程度非常高、无法分解教学，给课堂授课和测试分析带来不少难题。课程组将实验教学和装备教学有机衔接，内容设置充分考虑后续装备教学需求，实装教学上引入实验教学成果。课程组经过多年的实验和实装教学实践，采取这样的教学模式，不仅在实验教学中激发学生针对性和求知欲，装备教学中也大大改善和丰富训练手段，收到了不错的教学效果。

1 现代光学实验课程

现代光学实验室以“立足光学前沿，跟踪新装备发展”为建设目标，开设了激光原理与激光技术实验系统、光电技术实验系统、光纤光学实验系统、光学信息处理实验系统、非线性光学实验系统、激光光谱学实验系统等七个子实验系统[4]。经过数年不断建设和完善，现代光学实验室已成为设备先进、实验丰富、管理高效的重点学科实验室，能够满足在与未来军事斗争准备密切相关的理论和技术上，培养部队急需的新型光电专业人才。

现代光学实验课程紧紧围绕新型光电装备开设相关实验，包括激光制导、激光告警、光电对抗、光电火控等单体和平台装备。这些新型光电装备对提高武器装备全天候精确打击能力起到关键作用，大都采用了最新的研究成果[5]。例如采用半导体激光器的激光驾束制导仪、拉曼频移激光测距机。激光照射指示器采用电光调制产生高重频脉冲序列，指示和导引炮弹命中目标。实验课程瞄准新型光电装备所涉及的关键技术，着眼未来军事斗争需求，在培养高素质光电人才上设计实验内容。其中激光技术实验包括染料调Q、声光调Q、电光调Q、激光倍频、选模等。这些技术都在激光测距、激光制导、光电对抗装备中得到应用，对提高武器系统精确打击能力起到关键作用。通过对激光原理与技术实验的优化整合，该模块结构如图1所示。

图1 激光原理与激光技术实验模块

2 “激光制导仪器装备”课程

激光制导系统在越南战争时期研制成功，因其制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低等优势，现已发展成为装备量最大的精确制导武器之一。以激光技术应用为核心的专业课中，激光制导课程以世界先进的激光制导系统为教学对象，培养学生掌握激光制导的基本概念和理论、工作原理和操作方法，使学生建立起以激光为信息传输介质控制炮(炸)弹精确命中目标的系统理念。教学过程中，基于激光发射、传输、接收和信息处理全过程强化激光制导系统学习。针对激光制导装备型号多、平台各异的特点，选取一种典型激光制导装备为研究对象深入学习和实践，对其他相关装备举一反三，触类旁通。对激光制导装备的掌握不仅体现在会使用、懂原理、能修理的基本水平，内容设计上也要从顶层设计、装配调试的全过程去理解，把装备个体放在整个武器系统发展体系中学习。

3 以实验教学为基础的装备教学

在装备教学中，因为所涉及到的激光器及驱动系统都封装在仪器内部，难以剖析讲解和演示。为了更好的提高学生对装备内部结构、光学系统的理解，课程组将实验课和装备课衔接起来。以实验课为基础，使学生掌握基本的激光器结构、装调方法和测试技术，在装备课中巩固实验课的学习成果，将实验技能在制导装备中得到体现。以固体灯泵YAG激光器装调实验为例，在实验课中，锻炼学生组装激光器、调校光路、测试出光能量、观察脉冲波形、分析工作过程、测试出光效率等。以此实验技能为基础，装备教学中，对激光照射指示器的整机参数测试、内部光机结构、激光器原理等得以具体应用。课程组在多年的教学实践中，总结出了激光照射指示器驱动电路、激光器、参数测试等各环节中的重点、难点和实验课的衔接点，互相支撑、促进发展，取得了较好的实验教学和装备教学效果。

3.1 激光器基本结构教学分析

实验教学中的脉冲NdYAG激光器装调及性能参数测试实验装置如图2所示。

图2 脉冲Nd:YAG激光器实验装置图

以美国“铜斑蛇”和俄罗斯“红土地”为代表的激光末制导系统激光照射指示器，其基本结构如图3所示。激光照射指示器工作时，发射重频激光脉冲序列。静态激光器发射的重频脉冲存在“尖峰振荡”效应，不能满足测距和目标指示要求，必须对激光脉冲整形(提高峰值功率，压缩脉宽，消除尖峰振荡效应)，而调Q技术是整形的关键技术。目前装备中普遍采用电光调Q技术，即在一定角度切割的电光晶体上加高压，形成调Q开关。激光器基本结构如图3所示，包括后腔镜，调Q晶体，布儒斯特片，激光头，激光头里有激光增益介质晶体棒和泵浦氙灯，光阑以及输出镜。

图3 电光调Q激光器示意图

3.2 工作过程教学分析

激光器采用退压式调Q模式，具体过程如下：

1、关门状态：在激光器工作初期，调Q晶体上加载半波电压，此时晶体相当于四分之一波片。氙灯在电源的激励下瞬间放电，晶体棒受到泵浦激励，吸收泵浦光，内部激光下能级粒子被泵浦到上能级。由于上能级粒子自发辐射，沿光路方向传输的光经过布儒斯特片变成偏振光，经过调Q晶体，由线偏振光变成圆偏振光。到达后腔镜后沿光路返回，再次经过调Q晶体，光偏振态由圆偏振变成线偏振，线偏振光与入射到调Q晶体上的线偏振光偏振方向垂直，再次经过布儒斯特片，由于偏振方向平行于镜面，不能再次经过晶体棒获得增益。此时，调Q晶体与布儒斯特片形成损耗，使得激光不能振荡和输出。调Q晶体处于关门状态。

2、开门状态：当氙灯泵浦快要结束，激光棒积累反转粒子数达到最大值时，加在调Q晶体上的纵向电压瞬间退掉，调Q晶体只有自然旋光效应，但是两次通过对光的偏振态没有影响，此时激光在谐振腔内振荡，上能级反转粒子向下能级跃迁，瞬间形成大的激光脉冲，输出线偏振激光。

3.3 测试方法教学分析

实验教学中，注重光路调整，强化对激光器装调和测试方法的掌握。首先使He-Ne准直激光束通过Nd:YAG晶体前后表面中心，并使其前后表面的发射像与He-Ne激光束重合。调整俯仰方位，使输出镜和全反镜的工作面与Nd:YAG晶体反射像重合。在激光电源工作电压600V时反复仔细微调输出镜和全反镜，使激光输出最强，此时输出的激光称为静态激光。测量激光器的静态输出特性，将介质偏振片插入光路。再插入电光Q开关，调整电光Q开关的俯仰方位，使电光Q开关的反射像与激光晶体的反射像重合，将激光电源改到关门状态进行关门实验。绕光轴转动电光Q开关使激光器输出最小，此时电光Q开关处于关门状态。将激光电源改到调Q状态，测量激光器的动态输出，此时输出的激光为调Q激光，也称动态激光或巨脉冲激光。

在实验教学中学生掌握激光器内部结构和装调技术基础上，再对激光照射指示器进行调试和测试。其中，对单脉冲能量的测试，采取能量探测器直接入射的方式测试。对脉冲波形的测试，采取光电探测器侧向散射效应的方式测试。测试结果可以直接接入示波器读取波形。对比实验装置和激光照射指示器实装的结果，根据脉冲能量、脉冲宽度、周期精度的变化可以掌握泵浦电压、退压实践等参数的设置和调整方法。根据延迟时间、弛豫振荡效应可以调整激光照射指示器最佳的出光时间和光束质量。由于在实验课中，学生已经开展过基础实验，具有一定的实验技能，在实装教学时，学生在自信心、安全性、训练效果等方面都得到较好的训练。

4 结语

本文分析了现代光学实验和“激光制导仪器装备”课程的内容特点和衔接关系。在教学实践中，将实验课程的内容为装备教学做了扎实的准备，装备教学将实验教学的成果很好的推广应用，并以此为基础开展装备教学，在提高学生对核心激光器光学原理、电路系统、装配调试等技能上发挥重要作用。本文以重频激光器的实验教学和装备教学为例，就实验课程的组织和装备教学的实践应用进行分析，不仅在实验教学中激发学生学习的针对性和求知欲，装备教学中也大大改善和丰富了训练手段，收到了不错的教学效果。