GIÁO TRÌNH VỀ LASER, 2016

TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 I.TỔNG QUAN VỀ LAZER I.1Khái niệm: Laser tên viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation tiếng anh , có nghĩa "khuếch đại ánh sáng phát xạ ánh sáng " Electron tồn mức lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên có mức lượng cao electron phía Khi có kích thích từ bên ngoài, hạt electron hấp thụ lượng nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao tồn trạng thái kích thích thời gian ngắn( khoảng 10-8 s) , sau elcetron nhảy mức lượng thấp đồng thời phát photon, mà photon có bước sóng định tạo thành xạ dạng sóng điện từ tia laser tạo từ nguyên lý Có nhiều loại laser khác nhau, dạng hỗn hợp khí, VD: He-Ne hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo thành phần từ trạng thái chất rắn I.2.Tính chất • Độ định hướng cao: tia laser phát chùm song song khả chiếu xa tới hàng nghìn km mà không bị phân tán TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 • Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (hay bước sóng) Do chùm laser không bị tán xạ qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác Đây tính chất đặc biệt mà không nguồn sáng có • Tính đồng photon chùm tia laser • Có khả phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung lượng tia laser cực lớn thời gian cực ngắn I.3.Ngyên lý tạo lazer chế họat động: Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng(1) chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi hệ thống dẫn quang(2) Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, loại chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có gương chắn hai đầu, gương phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếch đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 Cấu tạo chế hoạt động laser 1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) 3) Gương phản xạ toàn phần 4) Gương bán mạ 5) Tia laser II.ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ Từ tia lazer đời, hệ vũ khí xuất hiện, cường quốc phát triển vũ khí có ứng dụng tia laser mà tiêu diệt đối thủ giấy lát Như súng Laser dùng cho binh thường hướng vào: làm để vô hiệu hoá chiến binh đối phương, cản trở triển khai vũ khí phương tiện chiến tranh đối phương Ví dụ, ta biết rằng, hệ tiêu hoá có tần số tự nhiên khoảng 10 Hz Do vào năm sau 1960, người Mỹ chế tạo “súng âm trầm” có tần số tương ứng Khi súng TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 hướng vào bụng, dầy đối phương tạo cộng hưởng với biên độ tăng dần, làm cho đối phương buồn nôn kèm theo chóng mặt, hoa mắt mà không cưỡng lại người trúng loại “đạn âm thanh” tức khắc bị loại khỏi chiến Cũng vậy, người ta dùng sóng radio xấp xỉ với sóng não người để gây rối loạn đầu óc đối phương Những loại súng thường gọn nhẹ (chỉ bút chì) Có dùng tia lazer làm mù mắt đối phương Ngoài Mỹ trang bị vũ khí laser máy bay chiến đấu để phát mục tiêu vừa bước vào lãnh thổ , tiêu diệt tên lửa đạn đạo vừa giai đoạn giai đoạn bắn Để hiểu rõ vũ khí laser tìm hiểu kĩ hệ thống phòng thủ LASER ABL , số hệ thống phòng thủ khác II.1 HỆ THỐNG LAZER ABL II.1.1 Cấu tạo hệ thống Lazer ABL Loại vũ khí laser lượng cao nói hãng Northrop Grumman chế tạo với mục tiêu phá hủy loại tên lửa đạn đạo, bao gồm tên lửa đạn đạo chiến thuật (TBM) tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) Năng lượng cho hoạt động gồm hóa chất tìm thấy chất tẩy thông thường hydrogen peroxide potassium hydroxide, kết hợp với khí clo nước Nền tảng hệ thống laser hoá học oxy-iod (COIL Chemical Oxygen Iodine Laser), - biến thể laser hoá học hồng ngoại, bao gồm module có công suất phát chế độ phát liên tục đạt mức MW laser thể rắn công suất mức kW dùng để chiếu xạ mục tiêu TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 II.1.2.Đặc tính Chiếc Boeing 747 không quân Mỹ mang vũ khí laser ABL Ảnh: USAF ABL có hiệu đối phó với tên lửa sử dụng nhiên liệu lỏng vỏ tên lửa có độ cứng Khi tia laser đập vào vỏ thùng nhiên liệu tên lửa làm cho thân tên lửa nóng lên làm tăng áp suất bên tên lửa cộng với tải trọng phát sinh bay với tốc độ cao tải trọng tạo lực cản diện khí Như tiêu diệt tên lửa mà thiêu cháy toàn thân tên lửa Tia laser có hành trình dọc theo chiều dài máy bay hạng nặng với tốc độ khủng khiếp khoảng 10 km/h Nó chạy từ phía đoạn đầu hệ thống đặt phía đuôi máy bay qua hệ thống kiểm soát chùm laser, hệ thống kiểm soát phóng bắn từ phần tháp pháo đặc biệt gắn mũi TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 máy bay để tới mục tiêu việc bắn vũ khí laser đường không tiêu diệt tên lửa đạn đạo bay Vũ khí laser tiêu diệt tên lửa đạn đạo giai đoạn tăng tốc chúng nên có nhiều lợi Khi hỏa tiễn tỏa nhiệt cực mạnh để phóng tạo điều kiện cho tia laser tìm đến mục tiêu xác ,vũ khí laser ABL tiêu diệt tên lửa đạn đạo xuyên lục địa dùng nhiên liệu lỏng (ICBM) từ khoảng cách 600 km Nhưng khó khăn chúng đánh chặn tên lửa dùng nhiên liệu rắn nhược điểm II.1.3 Hệ thống ABL phòng thủ từ xa: Vũ khí laser ABL thiết kế với mục đích tiêu diệt loại tên lửa đạn đạo đối phương từ giai đoạn đầu chúng phóng Tại giai đoạn bay hệ thống ABL sử dụng sensor (cảm biến) hồng ngoại để phát sơ mục tiêu Sau phát mục tiêu, hệ thống sử dụng ba tia laser lượng yếu phóng để tính toán hướng bay tốc độ bay tên lửa, xác định điểm ngắm bắn đo chảy rối không khí Dựa vào thông tin thu được, hệ thống ABL tính toán để phóng chùm tia laser với lượng thích hợp Sau laser đặt mũi máy bay phát xung dài 5s, đủ để tiêu diệt tên lửa Xung nhờ kính viễn vọng mạnh lắp ụ mũi máy bay, tụ tiêu giữ điểm ngắm Toàn trình từ phát lúc tiêu diệt mục tiêu kéo dài không 8-12 s bắn tia laser từ tháp pháo gắn mũi máy bay Boeing 747 chuyên dụng nhằm vào mục tiêu TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 Theo thiết kế, chế hoạt động vũ khí ABL chiếu sáng tên lửa đối phương tia laser dò tìm, hệ thống máy tính đo khoảng cách tính toán đường Sau tia laser chạm tới mục tiêu, tia laser thứ hai cực mạnh phóng từ mũi Boeing 747 Sức nóng gây sức ép lên khoang nhiên liệu Mô chế hoạt động hệ thống vũ khí laser ABL chống tên lửa đạn đạo Boeing 747 Ảnh: Ausairpower tên lửa bay khiến nổ tung ABL sử dụng nhiên liệu hóa học để tạo tia laser lượng cao Chiếc máy bay 747 mang đủ nhiên liệu phục vụ cho 20 phát bắn lượng cao 40 phát bắn lượng thấp chống lại TBM với lớp vỏ mỏng yếu Tia laser ABL có khả bắn thẳng vào khu vực chứa nhiên liệu tên lửa khiến phát nổ Ngoài ABL điều khiển để nung nóng lớp vỏ lên lửa, làm suy yếu phần vỏ này, khiến tên lửa bị phân rã tốc độ cao thời gian đầu trình phóng, tên lửa tăng tốc Do công với tốc độ ánh sáng nên ABL cho tiêu diệt mục tiêu với tỉ lệ thành công cao TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 Hình mô máy bay lắp hệ thống ABL Có thể tiêu diệt loại tên lửa đạn đạo Các máy bay mang ABL cất cánh tuần tra chiến đấu tuần tra độ cao lớn, cách khu vực đối phương triển khai tên lửa đến 600 km khoảng thời gian dài Có thể kéo dài thời gian trực chiến không máy bay ABL cách tiếp dầu không cho máy bay Để yểm trợ bảo đảm hoạt động máy bay ABL, người ta huy động máy bay tiêm kích máy bay tác chiến điện tử II.2.Vũ khí laser( THEL) phòng thủ chống đạn pháo Hãng sản xuất Northrop Grumman muốn LQ Mỹ sử dụng hệ thống laser chiến thuật lượng cao THEL (Tactical High Energy Laser) chiến đấu tiếp sau vụ thử thành công hệ thống bắn rơi loạt đạn cối bắn đến Riêng radar hệ THEL trạng thái hoàn thiện, sử dụng radar THEL để phát đạn rocket điều kiện chiến đấu Hệ THEL thiết kế để bắn hạ đạn rocket lớn chế tạo tốt đạn rocket Kassam Hệ thống THEL bám rocket Kassam nhỏ bắn hạ chúng laser THEL bám phá huỷ mục tiêu nhỏ bay đạn cối Hệ thống laser radar bám đồng thời tới 60 mục tiêu (đạn pháo, cối, rocket) phá huỷ đạn tầm tới km THEL phá huỷ khoảng 12 mục tiêu/phút với chi phí khoảng 3000 USD/phát bắn TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 Ngoài vấn đề kích thước chi phí hệ thống THEL, có vấn đề tia laser bị suy yếu mây, sương mù, chí khói nhân tạo Vì chưa có nhiều ủng hộ cho việc bắt đầu sử dụng hệ thống THEL cồng kềnh đắt tiền vào thời điểm Nhưng vào cuối thập kỷ này, biến thể nhỏ gọn rẻ tiền THEL hấp dẫn đặt mua THEL đánh chặn mục tiêu Hiện tại, THEL cồng kềnh không thật động Mỗi hệ thống cần có xe kéo trở lên để chở radar, tiếp nhiên liệu thiết bị laser TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 MTHEL Biến thể MTHEL (Mobile Tactical High-Energy Laser - hệ thống laser chiến thuật lượng cao động) thiết kế, sử dụng xe kéo;hệ thống MTHEL lắp vừa xe ôtô đa hạng nhẹ động cao HMWV III SỬ DỤNG LAZER TRONG TIÊU DIỆT ĐỐI THỦ (JDAM ) III.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Trái bom sau phối hợp với hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GPS) tìm diệt mục tiêu Bộ não bom thiết bị nhận tín hiệu GPS, lập trình trước Thiết bị nhỏ điều chỉnh hướng bay nhờ "vây" đuôi bom, theo liệu toạ độ mà hệ thống vệ tinh cung cấp Được dẫn đường nhờ tín hiệu GPS, JDAM hoạt động hiệu thời tiết xấu Trong đó, bom định vị laser, dễ lạc gần mặt đất có khói hay sương mù Khâu xác định mục tiêu tiến hành công phu Các vệ tinh máy bay thám thu thập nhiều thông số hình ảnh, tia xạ, thay đổi nhiệt để tìm hang động, đường hầm binh lính Những liệu này, với tin tức tình báo, tổng hợp lại Một sai sót nhỏ trình thu thập xử lý thông tin khiến toạ độ mục tiêu không xác III.2 Nhược điểm & ưu điểm: 10 TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM 8/19/2016 III.2.1 Nhược điểm Tia laser bị lệch ảnh hưởng tác nhân thời tiết hay khói dày đặc thường có trận địa Do vậy, trái bom bị chệch hướng vào phút cuối "bom xác" để tuột mồi, chủ yếu phân tích toạ độ mục tiêu sai từ ban đầu III.2.2 Ưu điểm JDAM không đòi hỏi phi công phải xác định mục tiêu công cụ thể Do vậy, máy bay phép thả bom từ độ cao an toàn Theo thiết kế, bom tới gần mục tiêu định sẵn khoảng bán kính 1m Chính thế, JDAM gọi "bom xác" Dựa vào tín hiệu từ vệ tinh, JDAM bị đánh lừa đối phương xây dựng đài phát làm nhiễu tín hiệu GPS Dĩ nhiên, điều đòi hỏi trình độ công nghệ cao với điều kiện nghiên cứu tốt 11