非致命激光器激光源的选择与研究

廖栋智

摘要：介绍了当前激光器的构成及分类，指出不同种类激光器的优缺点，通过分析激光炫目损伤因子，找出非致命激光波长覆盖范围和激光器输出功率，并将常用激光器主要性能进行比对，得出半导体激光器和光纤激光器是适合非致命激光武器的激光源。

关键词：非致命；激光器；选择

1960年，美国科学系Maiman成功研制出世界上第一台红宝石固态激光器[1]，从此激光领域研究开始迅速发展。由于激光具有优异的相干性、单色性和方向性，其亮度比普通光源高1000倍，因此激光器在光电对抗、激光致盲、材料加工及生物医学等领域有广泛的用途[2]，也成为军事领域研究不可分割的一部分。

非致命激光武器（也称激光炫目武器）是利用低能激光束作用于人眼，使人眩晕、暂时失明，从而失去抵抗能力，但不会造成永久性损伤的一种非致命武器[3]。受1996年《日内瓦公约》禁止使用永久性致盲武器的限制，非致命激光武器作战效果应包括两个方面：一是造成人眼短暂失明，暂时失去抵抗能力；二是不会造成永久性伤害。激光器作为非致命激光武器的核心部件，不同种类激光器作用范围和效果大不相同，为更好满足任务需求，选择哪类激光器作为激光源变得十分重要。

一、常见激光器的构成及分类

激光器发展至今种类繁多，按工作介质的不同，通常激光器可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6类[4]；按激励方式的不同，可以分为光激励激光器、放电激励激光器、化学激光器和核泵浦激光器4类；按输出功率的不同，可以分为小功率激光器和大功率激光器。本文主要按激光器工作介质的不同进行划分，除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，主要由泵浦源、谐振腔以及激光工作物质组成，如图1所示。自由电子激光器主要由电子束注入器、扭摆磁铁以及光学谐振腔组成，如图2所示。各类激光器工作条件和工作物质各有差异，采用的激励方式也各不相同。常见的激励方式有化学激励、核能激励和光学激励[5]。其工作的本质就是使粒子数目产生反转，在受激辐射后使激光发生放大并按指定方向输出。

（一）固体激光器

固体激光器是最为常用的一种激光器，一般以光为泵浦源，工作介质为玻璃或者绝缘晶体。主要分为可调谐、高功率以及二极管泵浦三种类型，使用频率较高的有红宝石、掺钕钇铝石榴石、二极管抽运固体激光器以及可调谐固体激光器等。其中钛蓝宝石激光器震荡波段范围较广，红宝石激光器波长主要在可见光[6]，其余震荡波段大都在红外。固体激光器研制时间早，具有器件小，使用方便，输出功率大等优点，但由于冷却装置限制，其方向和应用前景也取决于对废热管理的改进程度[7]。

（二）气体激光器

气体激光器是利用气体作为增益介质的激光器，一般是对气体放电进行泵浦。按照工作粒子的差异性，可以将气体激光器分成分子、原子、离子以及准分子等不同类型[5]。常见的气体激光器包括CO2激光器、He-Ne激光器、N2分子激光器[8]。不同增益介质波长震荡范围不同，其中CO2激光器能量转换率高，应用相对广泛。该类激光器具有结构简单、工作介质均匀、光束质量好、造价低等优点，但体积庞大、使用寿命短等缺点不容忽视[9]。

（三）液体激光器

液体激光器工作介质一般为激光染料，因此也叫做染料激光器[10]，是指在激光光源作用下产生的一种新的可调谐波长激光的染料，目前能够溶于酒精、苯、丙酮、水或其余溶液的染料大概在500种左右。相比气体和固体的激光介质，染料激光器可以用于更广泛的波长范围内[11]。但由于其介质寿命短，有机染料搬运和存储困难，基本被钛蓝宝石等波长可调的固体激光器取代。

（四）半导体激光器

半导体激光器也叫激光二极管，工作介质一般为半导体材料。常用的激励方式有光泵浦、电注入和电子束激励三种形式。半导体二极管激光器由于具有体积小、价格低、寿命长和使用方式简单等优点，已经成为最实用的激光器[12]。其波长覆盖范围较广，但是输出光功率和波长极易受工作温度和驱动电流影响[13-14]，早期光束质量较差，现已达到较高水平。

（五）光纤激光器

光纤激光器是指采用掺杂光纤作为增益介质的激光器，与固体激光器类似，其输出波长与掺杂元素相关，一般位于近红外区域。光纤激光器具有电光效率高、结构紧凑、易于系统集成、性价比较高等优点[15]，但光纤容易发生非线性光学效应，这将限制单根光纤激光器输出功率，光束合成有一定优势也有潜在局限性[16]。

（六）自由电子激光器

自由电子激光器是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源，它不需要固体、液体或气体作为工作物质，而是将高能电子束的动能直接转换成相干辐射能。具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等一系列优良特性[17]，不过目前的自由电子激光器还比较大，而且费用高，需要进一步完善和优化[18]。

二、激光炫目致傷因子

非致命激光武器主要作用部位是人眼，人眼中最易受到激光损伤的组织是视网膜和角膜，损伤程度取决于激光器的各项参数，主要包括激光输出功率、激光波长、激光脉冲宽度和光斑直径等，考虑激光器设计可变化性，本文主要从激光波长和输出功率研究。

（一）激光损伤波长范围

激光损伤人眼与其波长有密切关系，不同波长的光通过眼组织透射率T不同，视网膜吸收率A也不同，以Nd：YAG倍频激光器为例，如图3所示[19]。透过眼组织的激光能量越高，对人眼损害越大，视网膜吸收激光越多，对视网膜伤害就越大。因此视网膜损伤程度是由眼睛光学系统的透射率T和视网膜A吸收率的乘积-眼底层有效吸收率决定的。

从图中可以看出，400～1400nm波长的激光都可以对人眼造成较大伤害，其中532nm蓝绿激光有效透过率最高，对人眼的伤害程度最大，500～850nm波长的激光透过率整体较高，达到了85%以上，而波长小于400nm以及大于1200nm的激光有效透过率相对来说就小了许多。考虑非致命激光武器作用效能，应优先考虑500～850nm波长范围的激光器。

（二）激光输出功率阙值

对于特定的波长，激光器的功率密度决定了人眼损伤程度，通常把最小可见伤害的最低功率密度称作激光损伤阙值。作为非致命激光武器，必须要能造成一定程度人眼损伤，但又不宜有严重损伤，以免对人员造成永久性致盲破坏，同时要增加激光器的功率要求。确定人眼激光损伤阙值是一项复杂的技术工作，不同国家和学者对损伤阙值的报道有一定的差异，表1为美国国防部公布的损伤人眼的能量阙值表[20]。对于532nm蓝绿激光，通常认为其激光的输出功率密度应在0.1～2.55mW/ cm2这一范围内。非致命激光器选择时，激光器输出功率应至少达到0.1mW/ cm2，同时考虑人眼激光损伤阙值，输出功率也不宜太大。

三、主要性能比对

各类激光器由于增益介质和激励方式的不同，所产生的激光都有着不同的指标参数，各自对应优缺点也不一样，有着不同的侧重点，适用于不同的领域。现将常用激光器主要性能进行对比，如表2所示，主要考虑激光波长震荡范围以及各自优缺点，以便更直观选择非致命激光器。

四、结论

非致命激光器的选择，应综合考虑激光器发射波长、输出功率、体积、成本、寿命和方便控制等因素，固体激光器大都发热量大，能量转换效率低；气体激光器体积庞大，使用寿命短；染料激光器工作原理复杂，有机染料易燃、易爆、有毒；自由电子激光器则价格非常昂贵，通常选择半导体激光器和光纤激光器作为激光源。这两类激光器既能提供有效透射率高的激光源，同时还兼备体积小、结构简单和使用寿命长等优点。因此，常用的非致命激光器为发射532nm绿激光以及850nm的红色激光的半导体激光器。

除了传统种类的激光器，复合结构激光器正成为越来越重要的角色，光纤耦合半导体激光器（FCLD）就兼顾了两类激光器的优点，能较好的满足非致命激光武器设计需求，必将成为未来发展的一个大趋势。

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（作者单位：武警工程大学研究生大队）