一种复合激光防护系统
阅读：973发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种复合激光防护系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及激光防护技术领域，公开了一种复合激光防护系统，包括接收装置、可调光 滤波器 、激光探测装置、非线性 透射光 处理器、偏置电源、光 辐射 探测器、 驱动器 以及 控制器 ；接收装置设置于可调光滤波器的入射光路上，激光探测装置设置于可调光滤波器的透射光路上，非线性透射光处理器设置于可调光滤波器的反射光路上，光 辐射探测器 设置于非线性透射光处理器的透射光路上，非线性透射光处理器分别与偏置电源以及控制器电连接，激光探测装置与控制器电连接，控制器通过驱动器与可调光滤波器电连接。本发明具有激光防护宽带响应，且不影响目标 信号 的探测。，下面是一种复合激光防护系统专利的具体信息内容。
1.一种复合激光防护系统，其特征在于，包括接收装置、可调光滤波器、激光探测装置、非线性透射光处理器、偏置电源、光辐射探测器、驱动器以及控制器；
所述接收装置设置于所述可调光滤波器的入射光路上，所述激光探测装置设置于所述可调光滤波器的透射光路上，所述非线性透射光处理器设置于所述可调光滤波器的反射光路上，所述光辐射探测器设置于所述非线性透射光处理器的透射光路上；
所述非线性透射光处理器分别与所述偏置电源以及所述控制器电连接，并用于可调光滤波器的反射光处理，包括限制、阻挡和探测反射光中的激光；
所述激光探测装置与所述控制器电连接，并用于可调光滤波器的透射光探测；
所述控制器通过所述驱动器与所述可调光滤波器电连接，并用于调节所述可调光滤波器的透射波长。
2.根据权利要求1所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述非线性透射光处理器为相变光开关或光限幅器。
3.根据权利要求2所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述相变光开关包括第二衬底，所述第二衬底上设置有相变膜，所述第二衬底上还设有两个电极，两个电极分别设置于所述相变膜的两侧，所述相变膜的一侧通过其中一所述电极与所述偏置电源的正极电连接，所述热敏电阻膜的另一侧通过另一所述电极与所述分压电阻R0电连接，所述分压电阻R0与所述偏置电源的负极电连接，所述分压电阻R0的两端分别与所述控制器电连接。
4.根据权利要求3所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述相变膜为VO2相变膜。
5.根据权利要求1所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述可调光滤波器为FP腔可调光滤波器。
6.根据权利要求5所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述FP腔可调光滤波器包括两个第一衬底，两个第一衬底上均镀有反射膜，两个所述第一衬底镀有反射膜的一侧通过驱动件相互连接构成FP腔，两个所述反射膜之间形成空气隙，所述驱动件通过所述驱动器与所述控制器电连接。
7.根据权利要求6所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述驱动件的数量为至少三个、依次排列在所述第一衬底长度方向上的不同位置处、并垂直于所述第一衬底。
8.根据权利要求6所述的复合激光防护系统，其特征在于，两个所述第一衬底上均镀有金属膜，同一所述第一衬底上的金属膜和反射膜位于同一侧，两个所述金属膜相对而设形成电容结构，两个所述金属膜分别与所述驱动器电连接。
9.根据权利要求6所述的复合激光防护系统，其特征在于，所述驱动件为压电驱动件或静电驱动件。
一种复合激光防护系统
技术领域
[0001] 本发明涉及激光防护技术领域，具体涉及一种复合激光防护系统。
背景技术
[0002] 激光武器通过发射强激光能量照射敌方光电侦察系统和光电制导武器的“眼睛”——光电传感器或光探测装置,实施毁伤或致盲破坏,使其丧失作战能力。作用在传感器上的强激光束,会使传感器构成材料的特性和状态发生变化,造成温升、膨胀、熔融、气化、击穿和破裂等不可逆的破坏。为了对抗这种激光武器的攻击，各种激光防护技术应运而生，其中激光防护薄膜最受关注。激光防护薄膜可分为波长防护型和光强防护型两类。波长防护型薄膜是利用线性光学或传统光学原理以及全息光学原理设计的激光滤光片,可以对固定波长的激光进行防护，同时不影响正常的观察与导引，但是需要事先知道激光波长来设计相应的滤光片；光强防护型薄膜是利用非线性或热致变色等原理来实现对强激光的防护,包括以C60为代表的光限幅器,也包括以VO2薄膜为代表的热致相变开关。光强防护型具有宽带响应特性，但是实际使用中会影响到正常信号的观察和探测，如光限幅器虽然限制强激光透射在一定水平下而不至于破坏光探测器，但透射的激光能量仍然高于目标光辐射能量，导致在激光袭击光探测器时难以对目标光辐射进行有效探测；而相变开关在强激光来袭时处于关闭状态，在阻挡强激光时也阻挡了对目标光辐射的探测。总之，光强防护型虽然可以降低或阻挡激光攻击，但是在其工作期间对目标光辐射的探测会受到影响甚至失效，这在防护连续激光照射时将导致长时间探测器不能有效探测而影响武器装备的正常使用。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种复合激光防护系统，解决现有技术中波长防护型薄膜只能实现固定波长激光的防护，而光强防护型薄膜的使用会影响目标信号观察和探测的技术问题。
[0005] 所述接收装置设置于所述可调光滤波器的入射光路上，所述激光探测装置设置于所述可调光滤波器的透射光路上，所述非线性透射光处理器设置于所述可调光滤波器的反射光路上，所述光辐射探测器设置于所述非线性透射光处理器的透射光路上；
[0006] 所述非线性透射光处理器分别与所述偏置电源以及所述控制器电连接，并用于可调光滤波器的反射光处理，包括限制、阻挡和探测反射光中的激光；
[0007] 所述激光探测装置与所述控制器电连接，并用于可调光滤波器的透射光探测；
[0008] 所述控制器通过所述驱动器与所述可调光滤波器电连接，并用于调节所述可调光滤波器的透射波长。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果包括：当目标光辐射以及激光辐射经接收装置输入可调光滤波器时，满足透射谐振条件的光辐射可以透射出可调光滤波器，不满足谐振条件的光辐射将被反射，如果激光辐射满足谐振条件则直接被透射滤除，如果激光辐射不满足谐振条件，将和目标光辐射一起被反射进入非线性透射光处理器，由于非线性透射光处理器具有智能反应特性，可以在入射光辐射的强度达到一定阈值时，自动阻挡或限制光辐射的透射强度，故可大幅度降低辐照在光辐射探测器的激光能量。同时非线性透射光处理器上的强光探测单元发生作用，产生激光来袭电信号，并在第一时间给控制器输出激光来袭信号，则控制器可通过驱动器及时调节可调光滤波器扫描到相应激光波长并透射滤除之。这时作用在非线性透射光处理器的激光能量会大幅度降低甚至消失，光辐射探测器就会恢复对目标信号的探测，从而在实现宽带响应的同时，避免影响目标光的观察和探测。附图说明
[0010] 图1是本发明提供的复合激光防护系统一实施方式的结构示意图；
[0011] 图2是本发明提供的非线性透射光处理器一实施方式的结构示意图；
[0014] 图5是本发明提供的可调光滤波器一实施方式的结构示意图；
[0015] 图6是本发明提供的可调光滤波器在3-5微米波段范围内不同腔长条件下的透射谱。
[0016] 附图标记：
[0017] 1、接收装置，2、可调光滤波器，21、第一衬底，22、反射膜，23、驱动件，24、金属膜，3、非线性透射光处理器，31、第二衬底，32、相变膜，33、电极，4、光辐射探测器，5、驱动器，6、激光探测装置，7、偏置电源，8、控制器。
具体实施方式
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019] 实施例1
[0020] 如图1所示，本发明的实施例1提供了复合激光防护系统，包括接收装置1、可调光滤波器2、激光探测装置6、非线性透射光处理器3、偏置电源7、光辐射探测器4、驱动器5以及控制器8；
[0021] 所述接收装置1设置于所述可调光滤波器2的入射光路上，所述激光探测装置6设置于所述可调光滤波器2的透射光路上，所述非线性透射光处理器3设置于所述可调光滤波器2的反射光路上，所述光辐射探测器4设置于所述非线性透射光处理器3的透射光路上；
[0022] 所述非线性透射光处理器3分别与所述偏置电源7以及所述控制器8电连接，并用于可调光滤波器2的反射光处理，包括限制、阻挡和探测反射光中的激光；
[0023] 所述激光探测装置6与所述控制器8电连接，并用于可调光滤波器2的透射光探测；
[0024] 所述控制器8通过所述驱动器5与所述可调光滤波器2电连接，并用于调节所述可调光滤波器2的透射波长。
[0025] 本发明提供的复合激光防护系统工作原理为：如图1，一般激光辐射1B比目标光辐射1A强得多，若直接被光辐射探测器4接收，则可能导致探测信号饱和或者探测器损坏。因此本发明实施例在接收装置1与光辐射探测器4之间布置有可调光滤波器2和非线性透射光处理器3，非线性透射光处理器3置于可调光滤波器2的反射光路上，接收来自可调光滤波器2反射的光辐射，并可以根据光辐射强度产生非线性的透射变化，起到降低激光辐照的作用；同时非线性透射光处理器3还具有光探测功能，用于探测可调光滤波器2的反射光，偏置电源7为非线性透射光处理器3内的光探测单元提供偏置电压或电流，控制器8接收非线性透射光处理器3输出的探测电信号，同时根据探测电信号为驱动器5提供控制指令，驱动器5为可调光滤波器2提供电驱动信号，用以调节可调光滤波器2的透射波长。激光探测装置6设置在可调光滤波器2的透射光路上，探测从可调光滤波器2透射的激光辐射1B。
[0026] 当仅目标光辐射1A进入接收装置1并以α角入射到可调光滤波器2时，满足透射谐振条件的目标光辐射1A可以透射出可调光滤波器2，但大部分未满足谐振条件的目标光辐射1A将以-α角被反射，反射的目标光辐射1A进入非线性透射光处理器3及其之后的光辐射探测器4，实现目标光的探测。
[0027] 在激光来袭时，激光辐射1B和目标光辐射1A一起组成入射光辐射进入接收装置1，若来袭的激光辐射1B恰好处于可调光滤波器2的透射波长范围内，即满足透射谐振条件，则激光辐射1B将直接被透射滤除，并被激光探测装置6探测到。若激光辐射1B不在可调光滤波器2的透射波长范围内，即不满足透射谐振条件，则只有目标光辐射1A中满足谐振透射条件的小部分辐射可以透射，绝大部分目标光辐射1A和激光辐射1B被一起反射到非线性透射光处理器3处。非线性透射光处理器3具有根据入射光强进行阻挡或限制强光透射的功能，可以在入射光辐射的强度达到一定阈值时，自动阻挡或限制光辐射的透射强度，故可大幅度降低辐照在光辐射探测器4的激光能量，因此最后进入光辐射探测器4的辐射比入射光辐射弱很多。
[0028] 但是如果激光辐照持续的时间较长，有可能导致光辐射探测器4持续饱和，积累的热效应还将损害部分像元，使光辐射探测器4丧失探测能力；同时非线性透射光处理器3也可能会因为对激光的吸收产生热量积累而受到损坏。此时，非线性透射光处理器3上的光探测单元发生作用，产生激光来袭电信号，并在第一时间(ns-μs范围内)给控制器8输出激光来袭信号，及时启动并调节可调光滤波器2扫描到来袭的激光波长并透射滤除之，这时作用在非线性透射光处理器3的激光能量会大幅度降低甚至消失，光辐射探测器4就会恢复对目标信号的探测。
[0029] 如果扫描来袭激光波长并进行相应调节的时间在ms量级内完成，则光辐射探测器4耽误的毫秒级不工作时间对整个目标信号的探测影响不大，采用高频驱动机构，例如采用
200KHz的压电驱动器5或静电驱动器5驱动可调光滤波器2，可以保证扫描在10ms量级内完成。
200KHz的压电驱动器5或静电驱动器5驱动可调光滤波器2，可以保证扫描在10ms量级内完成。
[0030] 本发明提供的复合型激光防护系统，通过将非线性透射光处理器3和可调光滤波器2结合，利用非线性透射光处理器3的智能反应阻挡或削弱激光辐照的功能，同时利用可调光滤波器2的波长扫描实现激光波长的定位和透射滤除的功能，使系统兼有了传统波长防护型和光强防护型两类激光防护系统的优点。在激光到来的初始阶段由非线性透射光处理器3来承担未知波长激光的防护任务，随着可调光滤波器2扫描定位到来袭激光波长，激光能量即刻被可调光滤波器2滤除掉，非线性透射光处理器3和光辐射探测器4上接收的激光能量被迅速消减，这样大大减少了激光作用于非线性透射光处理器3以及光辐射探测器4上的时间，大幅度降低激光对两者造成辐照损伤的可能性，同时光辐射探测器4对目标光辐射的正常持续探测基本不受影响。因此本发明特别适用于针对未知波长的激光武器的防护，特别是连续高能激光武器的防护。
[0031] 优选的，所述非线性透射光处理器3为相变光开关或光限幅器。
[0032] 本发明中非线性透射光处理器3可以是基于相变光开关原理的光处理器，即相变光开关，即在入射光强达到一个阈值后处理器的透射光发生从高透的半导体相到高反射的金属相的转变，并具有依赖于光强或温度的可逆相变特性，该非线性透射光处理器3中产生相变的材料可以是VO2薄膜材料；非线性透射光处理器3还可以是一种光限幅效应器件，即透射光强随入射光强增加到一个阈值后因非线性饱和吸收或散射而不再增加的现象。该处理器中产生这种光限幅效应的材料可以是石墨烯，还可以是基于有机材料和无机纳米材料的光限幅材料。
[0033] 优选的，如图2所示，所述相变光开关包括第二衬底31，所述第二衬底31上设置有相变膜32，所述第二衬底31上还设有两个电极33，两个电极33分别设置于所述相变膜32的两侧，所述相变膜32的一侧通过其中一所述电极33与所述偏置电源7的正极电连接，所述热敏电阻膜的另一侧通过另一所述电极33与所述分压电阻R0电连接，所述分压电阻R0与所述偏置电源7的负极电连接，所述分压电阻R0的两端分别与所述控制器8电连接。
[0034] 本实施例中的非线性透射光处理器3是一种带有光探测功能的相变光开关，其在激光照射下，可以发生可逆的热致相变或光致相变，即从半导体相的高透射态向金属相的低透射态转变，因此可以阻挡激光的照射。但是相变光开关存在一个相变阈值功率，低于相变阈值功率，相变光开关不起作用，激光仍然可以透射进入光辐射探测器4，因此对目标光的探测具有干扰作用。由于目标光一般都是弱信号，而激光辐射一般都远远高于目标光辐射，故如果激光功率低于相变光开关的相变阈值功率，单独使用相变光开关将难以起到激光防护作用。因此本实施例中的相变光开关还包含光探测单元，兼具激光探测功能，具体如图2所示，相变膜32作为在阻挡激光的同时，其本身还作为光探测单元的敏感材料。相变膜32的两端接有电极33，连接到偏置电源7两端。当激光照射到相变膜32时，相变膜32吸收激光后其电阻将发生比目标信号大得多的变化。在偏置电源7的作用下，因电阻变化引起的电压或电流的变化也会大得多，这种电压或电流的变化通过分压电阻R0两端的电压V0体现。
通过设置一个合理的阈值，将高于这个阈值的信号作为激光来袭信号，传输至控制器8。控制器8接收到激光来袭信号后，随即通知驱动器5驱动可调光滤波器2按照一定的步长调节腔长，进行激光波长扫描。通过激光探测器探测透射的光信号，在接收到比目标光辐射信号高得多的信号时，可认为是激光透射的信号，故可控制可调光滤波器2定位于该波长持续滤除激光直至激光信号结束。在激光被滤除的过程中，仅有目标光辐射信号被反射至相变光开关上，此时相变光开关不触发相变，其后方的光辐射探测器4可在激光滤除期间探测目标光辐射。可以看出，激光来袭后，光辐射探测器4在激光被成功滤除前会有一段时间暴露在激光辐照下，虽然相变光开关可以提供一部分阻拦，但是仍有部分激光会干扰光辐射探测器4，因此这段时间在实际应用中自然越短越好。
通过设置一个合理的阈值，将高于这个阈值的信号作为激光来袭信号，传输至控制器8。控制器8接收到激光来袭信号后，随即通知驱动器5驱动可调光滤波器2按照一定的步长调节腔长，进行激光波长扫描。通过激光探测器探测透射的光信号，在接收到比目标光辐射信号高得多的信号时，可认为是激光透射的信号，故可控制可调光滤波器2定位于该波长持续滤除激光直至激光信号结束。在激光被滤除的过程中，仅有目标光辐射信号被反射至相变光开关上，此时相变光开关不触发相变，其后方的光辐射探测器4可在激光滤除期间探测目标光辐射。可以看出，激光来袭后，光辐射探测器4在激光被成功滤除前会有一段时间暴露在激光辐照下，虽然相变光开关可以提供一部分阻拦，但是仍有部分激光会干扰光辐射探测器4，因此这段时间在实际应用中自然越短越好。
[0035] 基于以上分析，本实施例中的复合防护的效果有赖于快速的激光信号探测能力和激光波长扫描能力。研究表明，激光作用在相变光开关上时先发生光致相变，开关响应时间在fs-ps量级，进而再产生热致相变，响应时间为ns-ms量级。两个阶段的相变，都会产生电阻的显著变化，因而至少可以在ns-μs时间里通过电阻变化来获取激光来袭信号。激光波长的扫描定位时间则主要取决于扫描机构的响应频率，因此对于可调光滤波器2，扫描频率达到200KHz时,完成3-5μm波长范围的扫描，按照步长10nm/步的波长扫描速度，只需要1ms时间即可完成，加上其他时间10ms足以让可调光滤波器2捕获激光信号。因此在激光来袭时，光辐射探测器4以及相变光开关最多只有10ms时间短暂暴露在激光辐射照射下，此后再无激光辐照之忧，其受到激光干扰或损伤的概率将大大降低，且其正常工作不受到影响。
[0036] 优选的，所述相变膜32为VO2相变膜。
[0037] 本优选实施例非线性透射光处理器3中产生相变的材料是VO2薄膜材料，即VO2相变膜。
[0038] 图3显示了在发生相变时VO2薄膜的电阻可以发生3-4个数量级的变化。图4则显示在发生相变时红外光学透过率也发生了大幅度的变化，可以从半导体相的90％下降到金属相的5％以下。VO2相变膜也是一种热敏电阻薄膜，其本身可以作为光探测单元的敏感材料，当激光照射到VO2相变膜时，VO2薄膜吸收激光后其电阻将发生比目标信号大得多的变化。
[0039] 优选的，所述可调光滤波器2为FP腔可调光滤波器。
[0040] 本发明中可调光滤波器2为可以通过驱动器5电控调节透射波长的窄带滤波器，驱动器5控制可调光滤波器2的结构参数使其透射波长连续可调，从而进行波长的扫描并精确定位需要滤除的透射波长，非透射波长则被反射。本优选实施例中可调光滤波器2为基于法布里-珀罗腔干涉原理的FP腔可调光滤波器。FP腔可调光滤波器包括一对高反射率平行平板、平行平板之间构成的空腔以及调节空腔长度的驱动机构。平行平板在驱动机构作用下可进行相对移动，即电控调节空腔的长度，进而调节谐振透射波长，实现滤波波长可调的功能。本发明中可调光滤波器2还可以是电控液晶滤波器等其他类型的滤波器。
[0041] 优选的，如图5所示，所述FP腔可调光滤波器包括两个第一衬底21，两个第一衬底21上均镀有反射膜22，两个所述第一衬底21镀有反射膜22的一侧通过驱动件23相互连接构成FP腔，两个所述反射膜22之间形成空气隙，所述驱动件23通过所述驱动器5与所述控制器
8电连接。
8电连接。
[0042] 本实施例中的FP腔可调光滤波器通过电控实现反射膜22间的空气隙距离调节或FP腔腔长的调节。当入射光束进入腔内将在两反射镜面间形成多次反射和多次透射，而透射光将产生多光束干涉。只有满足干涉增强的透射光才能形成尖锐的透射峰。通过调节腔长，可以调节透射波长。图6显示了在不同的腔长下可调光滤波器2的透射谱。当腔长变化时，可调光滤波器2的低阶和高阶透射峰都会移动。当腔长在一定的范围里扫描，就可以遍历所涉及范围内的所有波长。本实施例中第一衬底21为红外透明衬底。
[0043] 优选的，所述驱动件23的数量为至少三个，三个驱动件23依次排列在第一衬底21长度方向上的不同位置处、并垂直于第一衬底21，两个所述第一衬底21的不同位置处分别通过不同的驱动件23连接。
[0044] 可调光滤波器2的驱动机构由一个或多个驱动件23组成，优选采用至少三个驱动件23组成，每个驱动件23的两端分别与两个第一衬底21的内表面相接触，驱动器5可以独立控制每个驱动件的行程。
[0045] 优选的，如图5所示，两个所述第一衬底21上均镀有金属膜24，同一所述第一衬底21上的金属膜24和反射膜22位于同一侧，两个所述金属膜24相对而设形成电容结构，两个所述金属膜24分别与所述驱动器5电连接。
[0046] 本优选实施例在两个第一衬底21之间还设置有电容位移传感器，用于监测两第一衬底21之间的间隙长度，同时作为反馈信号给控制器8用于调节腔长。具体的，电容位置传感器由两第一衬底21的内表面外围区域上设置的金属膜24构成，结合电容测量电路对该电容进行测量，形成电容位移传感器，建立电容与腔长之间的关系，即可实现两第一衬底21之间的腔长的测量，将测量的腔长信号作为反馈信号给反馈至控制器8用于调整腔长，从而实现腔长的反馈调节以及校准，快速调整透射波长到特定的激光波长处。
[0047] 具体的，金属膜24可以设置一对或多对，优选与驱动件23一一对应，即一个驱动件23对应一对金属膜24，从而实现不同驱动件23位置处的腔长测量、反馈调节。
[0048] 优选的，所述驱动件23为压电驱动件23或静电驱动件23。
[0049] 压电驱动件23可以是压电陶瓷，压电陶瓷的截面可以是方形、圆形或圆环形。压电陶瓷作为可调光滤波器2的驱动机构，可调光滤波器2的驱动机构还可以由一个或多个静电驱动件23组成，每个静电驱动件23由分别贴敷于两第一衬底21内表面对应位置的金属薄膜组成，每对金属薄膜各有一个电极33与驱动器5电连接，由驱动器5提供合适波形的驱动电压。
[0050] 本发明中目标光可以是中波红外波段，也可以是长波红外以及可见近红外等其他波段。本发明将非线性透射光处理器3的智能响应与可调光滤波器2的主动调节相结合，具有扫描快速、响应智能、干扰小等特点，克服单独使用两种器件时产生的问题，可有效解决传统激光防护系统存在的固有问题，适合应用于各种需要进行激光防护的光电系统。
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