高能激光系統的案例
美海軍專家：艦載激光武器系統已具備擊毀反艦導彈的能力
弗洛伊德補充道，美國海軍希望能夠擴大系統規模，以適應不同的任務和使用要求，填補現有作戰任務間的“間隙空白”。
文章稱，安裝在“龐塞”號和“波特蘭”號上的高能激光系統均采用單獨的電池供電，這就需要在發射間隙對電池進行充電。弗洛伊德表示，正在研發更高功率、更大容量的電池來解決這一問題，并期待更強大的水面艦船綜合電力系統作為高能激光系統的主要或備用電源。
弗洛伊德透露，美國海軍和達爾格倫公司還在研發其他的激光武器系統，包括一種非致命性的 "炫目器"。
基于Zemax的高能激光發射系統的擴束系統設計
關鍵詞：高功率激光發射系統；擴束系統
1 引言
高功率激光發射系統是強激光空間傳輸系統中不可缺少的裝置。對高功率激光發射系統的研究一直是激光應用領域的關鍵技術問題。高功率激光發射系統通常由準直系統、導光光路系統和擴束系統組成,光學系統要求具有高抗激光損傷閾值、高反射率、熱變形小等特點。這里我們主要討論擴束系統的設計。
2 設計要求
項目
指標要求
發散角
<3mrad
擴束前光束寬度
45mm*45mm
擴束比
2
系統波像差
λ/4
波長
10.6um
兩鏡間距
200mm左右
3 設計方案選擇
由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統的發射能量，故高功率激光擴束系統選擇離軸無焦卡塞格林系統進行擴束。所設計的離軸卡塞格林擴束系統,其擴束倍率為2倍,主鏡離軸量265mm,次鏡離軸量132.5mm,主鏡為凹拋物面,次鏡為凸拋物面。
4設計步驟
根據主次鏡間距和擴束比計算主次鏡的曲率半徑，主次鏡曲率半徑分別為800mm和400mm。
展開 Ansys Zemax STAR 模塊：集成化光學系統模擬整體解決方案
將數值數據應用至表面
STAR 功能：擬合評估
? 不同于使用 Zernike 多項式往往需要使用高階項系數進行形變擬合，全新的 STAR 模塊將使用以下數據擬合算法完成對表面的擬合：
‐ 將 2D 表面形變轉換為非均勻網格矢高數據
‐ 將 3D 溫度分布情況轉換為非均勻折射率分布數據
‐ 可以避免 Zernike 擬合精度不足導致的殘余誤差
? 控制每個 FEA 數據集與其關聯的表面的數值擬合設置，可視化 FEA 數據集與其數值擬合之間的差異
FEA 數據對系統性能產生的影響
? STAR 模塊可以使用所有的 OpticStudio 分析功能進行系統性能分析
? 簡單載入 FEA 數據后，即可使用 OpticStudio 中的工具觀察和分析這部分性能影響
? 系統及成像性能分析：表面矢高、點列圖、波前差、圖像模擬分析等
Zemax 集成化光學系統設計：高能激光系統示例
高能激光系統
? 在 OpticStudio 序列模式中設計和優化高能激光系統的光學部分
? 通過 OpticsBuilder將光學設計便捷地導入至 CAD 平臺中并進行光機械封裝和分析
? 結合 FEA 分析工具得到的具體熱形變和結構分析數據，通過 STAR 模塊展現系統的整體性能情況
? Zemax 軟件集合可以幫助您：
- 多種實用功能幫助您完成高斯光束傳播模擬
展開 以色列測試激光武器 首次從空中擊落多款無人機
據以色列《耶路撒冷郵報》等媒體報道，以色列軍方在上周進行的試驗中，成功使用安裝在民用飛機上的高功率激光武器系統擊落了飛行中的多架無人機。就此，以色列國防部稱，以色列可能是世界上首個能夠在飛機上使用這種激光技術，并在模擬作戰中成功攔截目標的國家。報道稱，在以色列國防部武器和技術基礎設施發展管理局的領導下，以色列埃爾比特系統公司和以色列空軍上周對高功率激光系統進行了數天的試驗。試驗是在海上進行的，高能激光系統被安裝在一架配備有先進傳感器和跟蹤系統的民用版塞斯納飛機上，與不同距離和高度的多架無人機交戰。
試驗平臺飛機左側的觀察窗、激光發射器和光電瞄準系統。
以色列國防部稱，這架飛機“成功攔截并100%摧毀了在測試期間發射的無人機。這是以色列研發先進機載激光系統多年計劃的第一步，該系統將為以色列的多層防御系統再增加一層，是對‘鐵穹’、‘大衛投石器’和‘箭’系統的（防御）能力的補充。”
美國“商業內幕”網站報道稱，在以色列與巴勒斯坦在加沙的最新一輪激烈交火中，“鐵穹”等陸基攔截系統被用來攔截來襲的火箭彈和敵方無人機，這些重要的攔截系統在大多數情況下的表現都異常出色。但是，在對付相對便宜的無人機時，相比昂貴的攔截導彈，激光更為有效，這也是世界各國軍隊越來越多地尋求空基、陸基和海基激光系統來對抗無人機的原因之一。
激光發射器發射和控制系統。
以色列國防部分管軍事研發的陸軍將領亞尼夫·羅特姆稱，此次試驗是一次突破性的技術成就，在以色列歷史上是首次，也許是全世界第一次。他還指出，激光系統“強大而精確”，可以在任何天氣狀況下攔截目標。一旦目標飛越利益區域，系統就會以非常高的精度指向并鎖定目標，并保持鎖定狀態直到目標被擊落。
被激光燒穿擊落的靶機。
展開 
以色列新型激光導彈防御系統測試成功！可低成本攔截導彈、無人機
2009年，以色列拉斐爾先進防務系統有限公司以光纖激光技術為基礎研發新的反炮兵彈藥激光武器系統，并在2014年新加坡航展上推出“鐵束”激光武器樣機。這種高能激光武器系統采用2千瓦級光纖激光器，最大有效射程7公里，安裝在兩輛車上進行發射。
“鐵束”激光武器系統的出現，有效解決了“鐵穹”系統面臨的兩大難題，一是成本效率低，二是無力應對密集攻擊。“鐵穹”導彈系統每實施一次攔截，成本大約在10萬至15萬美元；而“鐵束”激光武器系統每發射一次，成本僅需2000美元，一舉解決上述兩大問題。
“鐵束”是一種光纖激光系統，可以摧毀任何空中物體。另外，以色列表示，其“鐵穹”(Iron Dome)防御系統取得了巨大成功，對來襲火箭彈的攔截率達到90%。但官員們表示，該系統的部署成本很高——在加沙向以色列發射一枚火箭只要幾百美元，但要想被“鐵穹”攔截需要數萬美元。
當下，激光已經成為以色列防防空的一大利器。“由于其易于操作的系統和顯著的經濟優勢，激光是游戲規則的改變者。”國防部國防研究與發展理事會的Yaniv Rotem表示，“我們的計劃是在未來十年沿以色列邊境部署多個激光發射器。”
兩項技術實現激光能量累積增強
傳統的大多數激光武器試驗系統都采用一個大激光器發出激光，而“鐵束”激光武器系統采用光束三級疊合方式，實現激光能量的累積增強。即先由多個微小激光器合成疊陣，再將多個疊陣發出的多道光束進行合束，最后將激光束在目標瞄準點上疊加。其間，主要有兩大關鍵技術。
關鍵技術之一：將諸多微小激光器合成為“疊陣”
微小激光器分兩種：光纖激光器或激光腔以及單管半導體激光器。
經過3個步驟進行合成：
第一步，把諸多小光纖激光器并列集成為線陣，形成“巴條”；
第二步，把諸多巴條在橫向上集成為“面陣”；
第三步，把諸多面陣在縱向上集成為“疊陣”。
展開 以色列新型激光導彈防御系統測試成功！可低成本攔截導彈、無人機
2009年，以色列拉斐爾先進防務系統有限公司以光纖激光技術為基礎研發新的反炮兵彈藥激光武器系統，并在2014年新加坡航展上推出“鐵束”激光武器樣機。這種高能激光武器系統采用2千瓦級光纖激光器，最大有效射程7公里，安裝在兩輛車上進行發射。
“鐵束”激光武器系統的出現，有效解決了“鐵穹”系統面臨的兩大難題，一是成本效率低，二是無力應對密集攻擊。“鐵穹”導彈系統每實施一次攔截，成本大約在10萬至15萬美元；而“鐵束”激光武器系統每發射一次，成本僅需2000美元，一舉解決上述兩大問題。
“鐵束”是一種光纖激光系統，可以摧毀任何空中物體。另外，以色列表示，其“鐵穹”(Iron Dome)防御系統取得了巨大成功，對來襲火箭彈的攔截率達到90%。但官員們表示，該系統的部署成本很高——在加沙向以色列發射一枚火箭只要幾百美元，但要想被“鐵穹”攔截需要數萬美元。
當下，激光已經成為以色列防防空的一大利器。“由于其易于操作的系統和顯著的經濟優勢，激光是游戲規則的改變者。”國防部國防研究與發展理事會的Yaniv Rotem表示，“我們的計劃是在未來十年沿以色列邊境部署多個激光發射器。”
兩項技術實現激光能量累積增強
傳統的大多數激光武器試驗系統都采用一個大激光器發出激光，而“鐵束”激光武器系統采用光束三級疊合方式，實現激光能量的累積增強。即先由多個微小激光器合成疊陣，再將多個疊陣發出的多道光束進行合束，最后將激光束在目標瞄準點上疊加。其間，主要有兩大關鍵技術。
關鍵技術之一：將諸多微小激光器合成為“疊陣”
微小激光器分兩種：光纖激光器或激光腔以及單管半導體激光器。
展開 美國空軍研究實驗室招標高能微波反無人機系統
據airforcemag網站2021年7月30日刊文，美國空軍研究實驗室（AFRL）于7月28日發布了一份招標文件，尋找承包商開發一種可部署的高能微波系統，可通過破壞或摧毀敵方無人機來保護空軍基地。該項目將于今年秋天啟動，美國空軍研究實驗室希望在2023年推出一個原型系統 。
該項目名為“雷神之錘”（Mjolnir），是挪威雷神托爾（Thor）使用的錘子的名字，將以正在開發的戰術高能微波作戰響應器（THOR）為基礎。
美國空軍研究實驗室表示，THOR項目已經演示了“使用強無線電波使小型無人機系統立即失效”。其發布在Youtube上的視頻顯示，THOR對無人機群發射微波，導致它們立即爆炸或從空中墜落，但殺傷距離相對較近。
THOR是一種定向能武器原型，旨在使無人機的電子系統失效，并能夠快速對抗多個目標，例如無人機群。
THOR項目經理Amber Anderson表示，經過兩年的試驗，美國空軍研究實驗室團隊了解了該技術的優勢，以及如何改進之，Mjolnir將使用THOR相同的技術，且具有更好的性能、可靠性和可制造性。
THOR項目副經理Adrian Lucero則表示，項目目標是大量生產經濟可承受的可部署反無人機系統，并衍生發展出一個新興的行業，幫助美國保持電磁頻譜優勢。
一周前，美國空軍研究實驗室發布了一篇關于未來潛在定向能系統的報告，名為《定向能的未來2060》。該報告稱，美國空軍正在尋找能夠一次性摧毀大量無人機的系統，而不是用單個定向能系統單次摧毀一個目標。
美國空軍研究實驗室和聯合反無人機辦公室、陸軍快速能力與關鍵技術辦公室合作開展Mjolnir項目，具體由新墨西哥州科特蘭空軍基地的AFRL定向能源局高功率電磁部門管理。
展開 經緯恒潤激光雷達集成系統全面提升激光雷達的使用體驗
汽車自動駕駛系統通常可分為感知層、決策層、執行層，以激光雷達、攝像頭為代表的傳感器是自動駕駛感知層不可或缺的組成部分，但在傳感器整車集成方面，主機廠卻面臨著幾大痛點：
· 固定且外凸的激光雷達會給造型的美觀程度以及整車空氣動力學設計帶來很大的挑戰
· 復雜惡劣天氣環境下，激光雷達鏡面容易因受干擾而無法在最佳狀態下運行
· 激光雷達做為高單價傳感器存在較大的被盜風險
經緯恒潤自主研發的激光雷達集成系統可以為傳感器集成提供智能化的解決方案，是自動駕駛技術的重要組成部分。經緯恒潤激光雷達集成系統包含激光雷達收納機構和激光雷達清洗系統，整套系統可以實現激光雷達自動隱藏、展開，同時具備鏡面自動清洗功能。采用該套系統，可以：
· 提升車輛的整體造型美觀度
· 提升整車空氣動力學性能
· 滿足激光雷達全天候的使用場景要求
· 非工作狀態下有效保護傳感器
激光雷達集成系統
經緯恒潤激光雷達集成系統目前已配套路特斯旗下的多款車型，其中Eletre已開啟預售，將于今年下半年在武漢智能工廠實現投產，首批車型預計2023年開始交付。
路特斯Eletre
經緯恒潤智能駕駛產品線涵蓋環境感知系統、決策規劃系統和控制執行系統，具備向上集成完整智能駕駛方案的軟硬件產品基礎，是目前國內少數能夠實現覆蓋智能駕駛電子產品、研發服務及解決方案、高級別智能駕駛整體解決方案，能夠提供智能駕駛全棧式解決方案的供應商。未來，經緯恒潤將緊跟汽車行業發展大勢，堅持自主創新，努力為國內外客戶提供優質的產品和服務，為汽車行業的發展貢獻自己的一份力量！
展開 GLAD：地對空激光通訊系統
本例為一束激光從地基激光器出發傳輸到近地軌道上的一個轉換鏡上。轉換鏡將激光反射到一個聚焦鏡上，然后這束光打到大氣層內部一個低海拔的目標上。根據Kolmogorov模型，假設目標值的半徑為10cm，就可以計算大氣像差。本例中包含了激光擴束器像差、轉換鏡上的像差以及聚焦鏡上的像差。
大氣模型假設的波陣面光譜功率為（忽略內部和外部的尺寸限制）：
其中W^2 (f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。由于大氣像差和光束擴束器的像散，斯特列爾比SR=0.34。經過一個激勵器影響半徑為4.0cm的自適應鏡校正后，斯特列爾比為0.87。經過全程傳播到達目標后，光斑直徑為50cm，剩下56%的能量，相對于沒有自適應鏡時能量的22%，有了明顯的提高。由于沒有考慮大氣對光學元件散射效應的衰減效應，所以實際中傳輸到的光更加少。
圖1.地對空激光通信系統示意圖
表1.關鍵參數
###激光器光束初始化
set/alias/off
wavelength/set 1 .48 # 設置激光器波長
array/set 1 256 # 設置計算初始矩陣大小
units/s 1 .1
gauss/c/c 1 1 1.25 # 定義高斯光束
clap/cir/con 1 1.25
energy/norm 1 1.
展開 OptiSystem 應用:激光雷達系統設計
簡介：激光探測和測距系統(LIDAR)
以下四個示例設計演示了如何使用OptiSystem模擬光檢測和測距系統（LIDAR），具體如下：
?激光脈沖飛行時間測量
?相移測距
?調頻連續波（FMCW）直接檢測測距和調頻連續波相干測距
圖1使用直接檢測的FMCW LIDAR OptiSystem模型示例視圖
1.測距(飛行時間)
1)原理簡介
?使用激光脈沖，飛行時間測距法測量發射脈沖從發射裝置行進到目標并返回接收器所花費的時間。 然后計算距離[1]
c是光速。
?接收信號功率是根據擴展目標模型確定的，計算如下[2]
其中Pt是傳輸光功率，D是接收器孔徑，ρ目標反射率，tatm是大氣損耗系數，topt是光傳輸系統損耗因子，R是目標范圍。
?為了可靠地確定到達脈沖的出發時間，使用恒比定時測量[3]方法（用Cpp組件實現）。
圖2測距儀（TofF）布局
2)應用案例
?下面的示例中，一個高斯脈沖(峰值脈沖時間= 1 us) 傳輸過后從虛擬目標反射(由自由空間信道模型 (擴展目標)定義)) 。經過衰減和延遲后，通過Cpp組件恒比定時測量法檢測和后處理接收到的信號。
?接收到的脈沖是在抽樣時間6.02e-06秒觸發的，進而發現該范圍為751.27 m（與全局參數范圍設置為750 m相比較）。 通過改變輸入參數CFTDelay，CFTFraction，CFTNoiseThreshold可以修改恒比鑒別器的靈敏度。
圖3激光測距系統
2.測距(相移)
?測量對象/目標的距離的另一種方法是使用相移測距儀。 利用該方法，光源以特定頻率Rf被調制并且朝向目標傳送。 然后用PIN光電二極管跟隨外差接收器檢測反射信號。
展開 GLAD：地對空激光通訊系統
本例為一束激光從地基激光器出發傳輸到近地軌道上的一個轉換鏡上。轉換鏡將激光反射到一個聚焦鏡上，然后這束光打到大氣層內部一個低海拔的目標上。根據Kolmogorov模型，假設目標值的半徑為10cm，就可以計算大氣像差。本例中包含了激光擴束器像差、轉換鏡上的像差以及聚焦鏡上的像差。
大氣模型假設的波陣面光譜功率為（忽略內部和外部的尺寸限制）：
其中是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。由于大氣像差和光束擴束器的像散，斯特列爾比SR=0.34。經過一個激勵器影響半徑為4.0cm的自適應鏡校正后，斯特列爾比為0.87。經過全程傳播到達目標后，光斑直徑為50cm，剩下56%的能量，相對于沒有自適應鏡時能量的22%，有了明顯的提高。由于沒有考慮大氣對光學元件散射效應的衰減效應，所以實際中傳輸到的光更加少。
展開 
[Optiwave] OptiSystem應用：激光雷達系統設計
簡介：激光探測和測距系統(LIDAR)
以下四個示例設計演示了如何使用OptiSystem模擬光檢測和測距系統（LIDAR），具體如下：
□ 激光脈沖飛行時間測量
□ 相移測距
□ 調頻連續波（FMCW）直接檢測測距和調頻連續波相干測距
圖1.使用直接檢測的FMCW LIDAR OptiSystem模型示例視圖
1.測距(飛行時間)
1）原理簡介
使用激光脈沖，飛行時間測距法測量發射脈沖從發射裝置行進到目標并返回接收器所花費的時間。 然后計算距離[1]
c是光速。
接收信號功率是根據擴展目標模型確定的，計算如下[2]
其中 Pt 是傳輸光功率，D 是接收器孔徑， ρ 目標反射率， ?atm 是大氣損耗系數，?opt 是光傳輸系統損耗因子，R 是目標范圍。
為了可靠地確定到達脈沖的出發時間，使用恒比定時測量[3]方法（用Cpp組件實現）。
圖2.測距儀（TofF）布局
2）應用案例
□ 下面的示例中，一個高斯脈沖(峰值脈沖時間= 1 us) 傳輸過后從虛擬目標反射(由自由空間信道模型 (擴展目標)定義) ) 。經過衰減和延遲后，通過Cpp組件恒比定時測量法檢測和后處理接收到的信號。
□ 接收到的脈沖是在抽樣時間6.02e-06秒觸發的，進而發現該范圍為751.27 m（與全局參數范圍設置為750 m相比較）。 通過改變輸入參數CFTDelay，CFTFraction，CFTNoiseThreshold可以修改恒比鑒別器的靈敏度。
圖3.激光測距系統
2.測距(相移)
測量對象/目標的距離的另一種方法是使用相移測距儀。
展開 無人機激光雷達測繪系統應用
無人機LiDAR激光探測與測量
LiDAR激光探測與測量，也就是激光雷達。是一種遙感技術，它使用快速激光脈沖來繪制地球表面的地圖。LiDAR 在用于創建用于各種業務應用程序的高分辨率數字表面、地形和高程模型時非常有用。
在過去的十年中，無人機在農業環境測繪的監測領域發展迅速，而無人機激光雷達掃描系統使得無人機在測繪監測領域的市場更為廣闊。
LiDAR 系統，可以收集和映射對象的詳細信息和精確的 3D 模型：例如，植物、樹木、建筑物、堤防等基礎設施和地表。
光探測和測距 (LiDAR) 的工作原理是將激光脈沖快速連續地發送到一系列準確定義的方向。測量每個激光脈沖從目標反射并返回到 LiDAR 掃描儀所需的傳播時間，可以重建掃描儀周圍表面的距離和方向。將 LiDAR 掃描儀連接到像無人機這樣的移動平臺上，可以在無人機平臺向前移動時對更大的表面積進行 3D 映射。
激光雷(LiDAR)搭載無人機的應用領域
1.事故現場
LiDAR 是一種主動系統，它使用紫外光、近紅外光對不需要外部光的物體進行成像以進行有效映射。例如，在夜間監測洲際堆積時，可以輕松部署配備 LiDAR 無人機，單次通過現場。
作為基于無人機的解決方案，可以即時返回具有可見細節的準確信息，然后可以作為證據在法庭上接受。在地面，清障人員和環衛人員可以快速開始清理過程，通過解放通勤者和減少事故人員的開支，節省數千甚至數百萬美元。
2. 農林調查
森林規模龐大，管理這些廣闊的地區可能會讓人不知所措。評估森林清單的傳統方法既耗時又低效——有時僅僅是大面積的粗略估計。
展開 激光導星無焦系統的分析與設計
在天文望遠鏡中，經常使用激光導星來校正大氣畸變。這種人造恒星圖像通常由高功率激光束在幾十公里之外拍攝。為了精確設計產生甚至控制激光導星大小的光學系統，必須考慮激光束的衍射效應。在這個例子中，我們展示如何分析和設計一個激光導星的無焦系統。
摘要
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參數優化 [教學視頻]
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光學系統的參數優化
?
正確設置傅里葉變換
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LPD II: 位置和方向 [教學視頻]
?
設置元件的位置和方向
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基本光源建模 [教學視頻]
?
設置入射高斯場
VirtualLab Fusion的工作流程
展開 VirtualLab：用于激光導星的無焦系統
激光導星是幾十公里外的人造“恒星”圖像，對于天文望遠鏡的大氣扭曲校正非常重要。為了準確預測焦斑，必須仔細控制星體的大小，并在設計中考慮慢衍射效應。我們在VirtualLab Fusion中分析和設計了這樣的系統，并展示了如何為這些任務配置傅立葉變換設置。
激光導星無焦系統的分析與設計
在VirtualLab Fusion中，我們演示了如何分析無焦系統以生成激光導星，并進一步優化系統以控制人造星的大小。
示例中的傅里葉變換設置
傅立葉變換是VirtualLab Fusion中最基本的技術之一，它連接了空間域和空間頻域。我們在不同的例子中討論了傅里葉變換的設置，并給出了結果。
展開 