Глава 6. Разработка лазерных дальномеров и лазерных дальномеров-целеуказателей
Работы по созданию новых перспективных комплексов на основе лазеров для применения в различных видах гражданской и военной техники успешно продолжаются в АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха». Начиная с 2000-х годов большое внимание уделяется разработке дальномеров на «безопасной» длине волны. До сих пор дальномеры работали на длине волны 1,06 мкм. Это накладывало ограничение на используемые мощности, так как излучение на этой длине волны опасно для глаза человека.
В то же время, излучение на длине волны 1,5 мкм и выше поглощается в водной среде глазного яблока и не доходит до сетчатки. В этом диапазоне длин волн, безопасные для зрения находящихся на местности людей, уровни излучения на 4 порядка выше, чем для «опасной» длины волны 1,06 мкм. В «Полюсе» исследуется три возможных пути перехода на излучение в этом ИК-диапазоне:
- использование рамановского рассеяния, когда фотон накачки на длине волны 1,35 мкм генерации рассеивания на колебаниях решетки кристалла и переизлучается в более длинноволновом диапазоне;
- использование параметрической генерации света, когда нелинейный кристалл «накачивается» на длине волны 1,06 мкм, при этом квант света накачки «распадется» на два кванта, один из которых имеет нужную длину волны;
- использование сред, излучающих непосредственно на длине волны в районе 1,5 мкм. Так, активный редкоземельный ион эрбия дает излучение в нужном диапазоне длин волн. Проблема заключается в том, что сами по себе активные материалы, содержащие ионы эрбия, гораздо сложнее накачиваются, чем среды с ионами неодима. С другой стороны, в активную среду можно добавить ионы хрома и иттербия. Эти ионы хорошо поглощают энергию накачки и передают ее ионам эрбия.
Так, излучатель ИЗ-110 на эрбиевом стекле с ламповой накачкой и активной модуляцией добротности используется в дальномерах для космоса. Также разработаны излучатели на стекле с полупроводниковой накачкой (диодная матрица на длине волны 940 нм) с пассивной и активной модуляцией добротности и частотными режимами работы до 5 Гц с пассивной модуляцией и до 10 Гц с активной модуляцией добротности. Эти излучатели, служившие основой в дальномерных модулях, являются перспективными, но пока имеют относительно высокую стоимость накачивающего блока.
Рамановский лазер также позволяет получить более высокую частоту генерации импульсов, так как кристаллы таких лазеров имеют теплопроводность на порядок выше, чем стекла, легированные ионами эрбия. Один из таких лазеров, а именно рамановский лазер с пассивной модуляцией добротности, работающий на длине волны 1,54 мкм, используется в излучателе ИЗ-150. Под руководством Н.С. Устименко выпущено несколько сотен таких излучателей. Они устанавливаются в дальномерные бинокли, в дальномерные модули, встраиваемые в прицелы бронетехники и т. п. Также разработан частотный (до 10 Гц) вариант такого излучателя с активной модуляцией добротности и жидкостным охлаждением, который по ряду причин массово не производился. Оба типа рамановских излучателей используют ламповую накачку с самопреобразованием исходной длины волны излучения 1,35 мкм в 1,54 мкм. Сейчас изучается возможность построения таких излучателей с диодной накачкой.
Излучатель с параметрическим преобразованием и ламповой накачкой разработан для дальномера, поставляемого в ВМФ. Он работет в частотном режиме 10 Гц, и его энергия более 10 мДж. Этот вид излучателя имеет более сложную схему: лазер, излучающий на длине волны 1,06 мкм, накачивается лампой, далее следует преобразователь, преобразующий излучение на длину волны 1,57 мкм.
Модуль ЛДМ-2 является также составной частью лазерных целеуказателей-дальномеров ЛЦД-4 и ЛЦД-4–2. Лазерные целеуказатели-дальномеры ЛЦД-4 и ЛЦД-4–2 предназначены для разведки наземных целей и обеспечения в дневных и ночных условиях стрельбы артиллерии и авиации, в том числе высокоточными боеприпасами, оснащенными лазерными головками самонаведения, при подсвете лазерным излучением неподвижных и движущихся объектов вооружения, военной техники и инженерных сооружений с наземных наблюдательных пунктов, а также для применения в составе автоматизированных комплексов управления огнем. Отметим, что современные боеприпасы позволяют поражать цели на значительном расстоянии. Лазерное пятно целеуказателя обозначает цель, делает ее контрастной. В головной части высокоточного боеприпаса находится, координатно чувствительное, приемное устройство, которое «видит» насколько ось боеприса отклонена от цели. Бортовой процессор управляет рулями снаряда и направляет его точно в это лазерное пятно.
Изделие ЛЦД-4 (патент РФ № 2522784) представляет собой сложный комплекс лазерных, оптико-механических, электронных приборов и устройств, который обеспечивает работу на двух длинах волн 1,06 и 1,54 мкм. За счет повышенной точности ориентирования с помощью лазерного гирокомпаса и повышенной точности измерения углов с помощью специализированной системы наведения с электронными углоизмерительными устройствами, с высокой точностью происходит определение координат целей и давления на высоте цели в автономных условиях. Так же ЛЦД-4 обеспечивает лазерное целеуказание (лазерный подсвет) в дневных и ночных условиях для артиллерийских и авиационных средств поражения, в том числе нового поколения. ЛЦД-4 отличается высоким КПД лазерного канала и системы его электропитания (патент РФ № 2539773), что позволяет обеспечить надежную работу при питании от компактной аккумуляторной батареи при пониженных температурах окружающей среды. Разработанный комплект контрольно-проверочной аппаратуры 9В9003 (патент РФ № 2535240) обеспечивает оперативную проверку основных параметров лазерного излучения подсвета при проверке боевой готовности ЛЦД в условиях эксплуатации. ЛЦД-4 оснащен спутниковой навигационной системой и цифровым интерфейсом для работы в составе АСУ. Прибор ЛЦД-4 получил разрешительные документы для поставки иностранным заказчикам.
До сих пор подсвечивать цель должен был оператор с помощью переносных целеуказателей, типа ЛЦД-4. Альтернативой такому подходу являются беспилотные летательные аппараты, которые позволяют быстро и близко к цели доставить средства подсвета, чего не может сделать наземный оператор. При этом малые беспилотные аппараты практически невозможно обнаружить. Однако нагрузка, которую они могут нести, весьма ограничена.
Опыт разработки наземного унифицированного лазерного целеуказателя-дальномера ЛЦД-4 показал, что в настоящее время достигнут предел в миниатюризации аппаратуры класса ЛЦД с использованием ламповой накачки в лазерном канале. Типовое значение массы основного блока ЛЦД – приемопередатчика с дневным визиром кратностью не менее 10 может составлять 6–7 кг. При этом масса лазерного канала, включающего излучатель, блок охлаждения, управляющую и питающую электронику, составляет 3–4 кг. Сказанное относится и к современным зарубежным разработкам ЛЦД.
Указанная масса приемопередатчика ЛЦД является неприемлемой при создании оптоэлектронной аппаратуры для легких беспилотных летательных аппаратов. Кардинальное снижение массы, габаритов и энергопотребления лазерного канала может быть достигнуто с применением в лазерном канале ЛЦД другого типа накачки – накачки полупроводниковыми лазерными излучателями. Это подтверждается современными зарубежными разработками и опытом последних разработок, выполненных в НИИ «Полюс».
Преимущество полупроводниковой накачки определяется тем, что КПД современных лазерных диодов составляет 40–60%, а ширина спектра излучения (около 3 нм) позволяет осуществлять накачку селективно в полосу поглощения активной среды. К недостаткам полупроводниковой накачки относится зависимость длины волны излучения от температуры (0,27 нм/ град).
В спектре поглощения алюмоиттриевого граната с неодимом АИГ: Nd3+, который является активной средой в излучателях для ЛЦД, имеется широкая, хотя и сильно неоднородная полоса поглощения 790–825 нм, которая используется для полупроводниковой накачки. Несмотря на значительные перепады величины коэффициента поглощения от 0,5 до 8 см-1 при изменении длины волны, его величина всюду в рассматриваемой области отлична от нуля. Поэтому для разных длин волн накачки требуется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров пути в активной среде для эффективного поглощения накачки. Длины активной среды в 4 см достаточно, чтобы поглотить до 90 % накачки в указанном диапазоне длин волн. Обеспечить выполнение указанных требований можно, если осуществлять накачку в торец активного элемента (так называемая продольная накачка). Температурный диапазон может быть расширен за счет использования комбинаций лазерных диодов с разными длинами волн.
Помимо разработок малогабаритных переносных дальномеров и дальномерных комплексов в последнее десятилетие продолжались разработки более крупных дальномерных модулей, работающих с частотой повторения импульсов от нескольких импульсов в секунду до 10 Гц и более. Такие модули предназначены для встраивания в оптоэлектронную аппаратуру, где они объединяются с телевизионными и тепловизионными модулями в бортовые оптико-электронные навигационные и прицельные комплексы и применяются на кораблях, вертолетах, объектах бронетанковой техники и других объектах. Эти комплексы обеспечивают наблюдение за обстановкой в дневных и ночных условиях, позволяют своевременно обнаруживать опасные препятствия на пути движения в любое время суток, определять координаты целей и траектории их движения, в том числе траектории быстро движущихся объектов (самолетов, вертолетов, быстроходных катеров и др.), что позволяет в автоматическом режиме вырабатывать исходные данные для стрельбы.
«Развитие современной дальномерной техники требует дальнейшего снижения массы и габаритов приборов, уменьшения их энергопотребления при одновременном повышении дальности действия, частоты измерений, ресурса работы. Такие требования могут быть выполнены за счет создания и применения твердотельных лазеров, использующих вместо ламповой накачки значительно более эффективную диодную накачку полупроводниковыми лазерами, линейками и решетками полупроводниковых лазеров. Поскольку при диодной накачке в активном элементе выделяется значительно меньше тепла, чем при ламповой накачке, лазеры могут работать без жидкостного или воздушного охлаждения с повышенной частотой повторения импульсов.
Такие лазеры в последнее время стали широко применяться в гражданских областях (промышленных технологиях, медицинской аппаратуре, научном приборостроении и пр.). За рубежом создан ряд моделей дальномеров и целеуказателей с применением лазеров с диодной накачкой. Применение твердотельных лазеров с диодной накачкой в приборах военного назначения, работающих в широком интервале температур (например, от -40…+50°С), оказывается возможным, если полоса поглощения в активном материале твердотельного лазера имеет достаточную ширину (больше 30 нанометров) и длина волны излучения лазерных диодов, которая зависит от температуры, не выходит за пределы этой полосы во всем рабочем интервале температур. С учетом этого обстоятельства удачным для диодной накачки оказалось сочетание спектральных свойств активных элементов из стекла с ионами иттербия и эрбия и линеек диодных лазеров на основе соединений In-Ga-P с длиной волны излучения вблизи 940 нм. Несмотря на низкую теплопроводность стекла, малое тепловыделение при диодной накачке позволяет создать лазеры с безопасным для зрения излучением, работающие без охлаждения с частотой повторения импульсов 10 Гц и более, в требуемом интервале температур (-40…+50°С).
