非致命激光器激光源的選擇與研究

廖棟智

摘要：介紹了當前激光器的構成及分類，指出不同種類激光器的優缺點，通過分析激光炫目損傷因子，找出非致命激光波長覆蓋范圍和激光器輸出功率，并將常用激光器主要性能進行比對，得出半導體激光器和光纖激光器是適合非致命激光武器的激光源。

關鍵詞：非致命；激光器；選擇

1960年，美國科學系Maiman成功研制出世界上第一臺紅寶石固態激光器[1]，從此激光領域研究開始迅速發展。由于激光具有優異的相干性、單色性和方向性，其亮度比普通光源高1000倍，因此激光器在光電對抗、激光致盲、材料加工及生物醫學等領域有廣泛的用途[2]，也成為軍事領域研究不可分割的一部分。

非致命激光武器（也稱激光炫目武器）是利用低能激光束作用于人眼，使人眩暈、暫時失明，從而失去抵抗能力，但不會造成永久性損傷的一種非致命武器[3]。受1996年《日內瓦公約》禁止使用永久性致盲武器的限制，非致命激光武器作戰效果應包括兩個方面：一是造成人眼短暫失明，暫時失去抵抗能力；二是不會造成永久性傷害。激光器作為非致命激光武器的核心部件，不同種類激光器作用范圍和效果大不相同，為更好滿足任務需求，選擇哪類激光器作為激光源變得十分重要。

一、常見激光器的構成及分類

激光器發展至今種類繁多，按工作介質的不同，通常激光器可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6類[4]；按激勵方式的不同，可以分為光激勵激光器、放電激勵激光器、化學激光器和核泵浦激光器4類；按輸出功率的不同，可以分為小功率激光器和大功率激光器。本文主要按激光器工作介質的不同進行劃分，除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，主要由泵浦源、諧振腔以及激光工作物質組成，如圖1所示。自由電子激光器主要由電子束注入器、扭擺磁鐵以及光學諧振腔組成，如圖2所示。各類激光器工作條件和工作物質各有差異，采用的激勵方式也各不相同。常見的激勵方式有化學激勵、核能激勵和光學激勵[5]。其工作的本質就是使粒子數目產生反轉，在受激輻射后使激光發生放大并按指定方向輸出。

（一）固體激光器

固體激光器是最為常用的一種激光器，一般以光為泵浦源，工作介質為玻璃或者絕緣晶體。主要分為可調諧、高功率以及二極管泵浦三種類型，使用頻率較高的有紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極管抽運固體激光器以及可調諧固體激光器等。其中鈦藍寶石激光器震蕩波段范圍較廣，紅寶石激光器波長主要在可見光[6]，其余震蕩波段大都在紅外。固體激光器研制時間早，具有器件小，使用方便，輸出功率大等優點，但由于冷卻裝置限制，其方向和應用前景也取決于對廢熱管理的改進程度[7]。

（二）氣體激光器

氣體激光器是利用氣體作為增益介質的激光器，一般是對氣體放電進行泵浦。按照工作粒子的差異性，可以將氣體激光器分成分子、原子、離子以及準分子等不同類型[5]。常見的氣體激光器包括CO2激光器、He-Ne激光器、N2分子激光器[8]。不同增益介質波長震蕩范圍不同，其中CO2激光器能量轉換率高，應用相對廣泛。該類激光器具有結構簡單、工作介質均勻、光束質量好、造價低等優點，但體積龐大、使用壽命短等缺點不容忽視[9]。

（三）液體激光器

液體激光器工作介質一般為激光染料，因此也叫做染料激光器[10]，是指在激光光源作用下產生的一種新的可調諧波長激光的染料，目前能夠溶于酒精、苯、丙酮、水或其余溶液的染料大概在500種左右。相比氣體和固體的激光介質，染料激光器可以用于更廣泛的波長范圍內[11]。但由于其介質壽命短，有機染料搬運和存儲困難，基本被鈦藍寶石等波長可調的固體激光器取代。

（四）半導體激光器

半導體激光器也叫激光二極管，工作介質一般為半導體材料。常用的激勵方式有光泵浦、電注入和電子束激勵三種形式。半導體二極管激光器由于具有體積小、價格低、壽命長和使用方式簡單等優點，已經成為最實用的激光器[12]。其波長覆蓋范圍較廣，但是輸出光功率和波長極易受工作溫度和驅動電流影響[13-14]，早期光束質量較差，現已達到較高水平。

（五）光纖激光器

光纖激光器是指采用摻雜光纖作為增益介質的激光器，與固體激光器類似，其輸出波長與摻雜元素相關，一般位于近紅外區域。光纖激光器具有電光效率高、結構緊湊、易于系統集成、性價比較高等優點[15]，但光纖容易發生非線性光學效應，這將限制單根光纖激光器輸出功率，光束合成有一定優勢也有潛在局限性[16]。

（六）自由電子激光器

自由電子激光器是一類不同于傳統激光器的新型高功率相干輻射光源，它不需要固體、液體或氣體作為工作物質，而是將高能電子束的動能直接轉換成相干輻射能。具有高功率、高效率、波長的大范圍調諧和超短脈沖的時間結構等一系列優良特性[17]，不過目前的自由電子激光器還比較大，而且費用高，需要進一步完善和優化[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損傷的組織是視網膜和角膜，損傷程度取決于激光器的各項參數，主要包括激光輸出功率、激光波長、激光脈沖寬度和光斑直徑等，考慮激光器設計可變化性，本文主要從激光波長和輸出功率研究。

（一）激光損傷波長范圍

激光損傷人眼與其波長有密切關系，不同波長的光通過眼組織透射率T不同，視網膜吸收率A也不同，以Nd：YAG倍頻激光器為例，如圖3所示[19]。透過眼組織的激光能量越高，對人眼損害越大，視網膜吸收激光越多，對視網膜傷害就越大。因此視網膜損傷程度是由眼睛光學系統的透射率T和視網膜A吸收率的乘積-眼底層有效吸收率決定的。

從圖中可以看出，400～1400nm波長的激光都可以對人眼造成較大傷害，其中532nm藍綠激光有效透過率最高，對人眼的傷害程度最大，500～850nm波長的激光透過率整體較高，達到了85%以上，而波長小于400nm以及大于1200nm的激光有效透過率相對來說就小了許多。考慮非致命激光武器作用效能，應優先考慮500～850nm波長范圍的激光器。

（二）激光輸出功率闕值

對于特定的波長，激光器的功率密度決定了人眼損傷程度，通常把最小可見傷害的最低功率密度稱作激光損傷闕值。作為非致命激光武器，必須要能造成一定程度人眼損傷，但又不宜有嚴重損傷，以免對人員造成永久性致盲破壞，同時要增加激光器的功率要求。確定人眼激光損傷闕值是一項復雜的技術工作，不同國家和學者對損傷闕值的報道有一定的差異，表1為美國國防部公布的損傷人眼的能量闕值表[20]。對于532nm藍綠激光，通常認為其激光的輸出功率密度應在0.1～2.55mW/ cm2這一范圍內。非致命激光器選擇時，激光器輸出功率應至少達到0.1mW/ cm2，同時考慮人眼激光損傷闕值，輸出功率也不宜太大。

三、主要性能比對

各類激光器由于增益介質和激勵方式的不同，所產生的激光都有著不同的指標參數，各自對應優缺點也不一樣，有著不同的側重點，適用于不同的領域。現將常用激光器主要性能進行對比，如表2所示，主要考慮激光波長震蕩范圍以及各自優缺點，以便更直觀選擇非致命激光器。

四、結論

非致命激光器的選擇，應綜合考慮激光器發射波長、輸出功率、體積、成本、壽命和方便控制等因素，固體激光器大都發熱量大，能量轉換效率低；氣體激光器體積龐大，使用壽命短；染料激光器工作原理復雜，有機染料易燃、易爆、有毒；自由電子激光器則價格非常昂貴，通常選擇半導體激光器和光纖激光器作為激光源。這兩類激光器既能提供有效透射率高的激光源，同時還兼備體積小、結構簡單和使用壽命長等優點。因此，常用的非致命激光器為發射532nm綠激光以及850nm的紅色激光的半導體激光器。

除了傳統種類的激光器，復合結構激光器正成為越來越重要的角色，光纖耦合半導體激光器（FCLD）就兼顧了兩類激光器的優點，能較好的滿足非致命激光武器設計需求，必將成為未來發展的一個大趨勢。

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（作者單位：武警工程大學研究生大隊）