航空航天和国防应用中的光子技术

航空航天和国防领域是大量集成光子技术的领域之一。航空航天和国防工业巨头在很大程度上依赖于光子技术的应用，以成功履行数十亿美元的合同。从热成像到光纤通信、遥感和自适应光学，光子技术在国防工业中的应用已达到饱和状态。在今天的文章中，我们将探讨一些此类应用。

高光谱成像
超光谱成像可以处理隐藏在感兴趣物体中的光谱信息。这些类型的成像通常可以观察到人眼无法看到的波长，并对研究对象进行比其他简单成像技术更深入的特征描述。通过分析物体反射光中包含的光谱信息，高光谱成像技术可以对材料进行深度表征。人眼只能将收集到的光解读为几个不同的波段（红、黄、绿、蓝），而高光谱成像技术可以对发射波长进行更窄的分类，并具有非常精细的光谱分辨率。另一种 "多光谱成像 "方法是将收集到的光谱划分为特定波段的目标波长子集。

这种成像方式可以识别存在的物质类型和数量，并揭示存在的任何类型的化学变化。高光谱和多光谱成像技术的发展为农业、生物、生物医学、天文学、监控等领域的应用提供了先进的传感器和系统。传感器传递的信息可以通过光谱波段生成图像。一个光谱波段的数据可与另一个光谱波段提供的数据进行比较，以帮助确定场景的特征。

高光谱和多光谱成像的光子学应用 
可以想象，这些类型的成像非常适合遥感。例如，多光谱成像可用于跟踪军事目标，因为它能感知红外区域。在这种应用中，多光谱成像技术有效地起到了热成像的作用。它还可用于弹道导弹探测，因为导弹发射的是中长波红外线。高光谱成像还可用于地雷探测，对地面土壤进行特征描述。表层土壤与深层或受扰动的土壤具有不同的特性。这些差异可指示可能埋有地雷的位置。

上图是用于农业应用的高光谱图像。它描绘了该地区大豆和玉米地的分布情况。由 SPIE 提供。

这种成像技术已不再局限于国防领域。这种光子技术已经进入农业领域，用于农业耕作、食品检测和植物监测。这两种成像技术都能帮助辨别农药或水稀缺或过剩的地方，并确定土壤质量。它还可用于识别植被的具体类型。多光谱成像技术还可用于法医领域，在不损害证据的情况下对证据进行分析。

光子学理论推动高能激光器的发展
在之前深入研究光纤激光器时，我们曾提到美国海军和洛克希德-马丁公司正在开发一种 30 千瓦的激光器。此后，他们又制造出了 60 千瓦的激光器，作为集成武器系统--集成光学炫光和监视系统（HELIOS）--的一部分。它的功能包括使传感器致盲和穿透某些类型的飞机。虽然 HELIOS 系统已被认为可投入使用，但尚未完全集成到目前使用的系统中。改进大功率激光器仍然是国防部门非常感兴趣的一个领域。

激光系统具有传统防御系统所不具备的优势。火炮可能会耗尽弹药，而激光系统只要有功率，就可以无限发射。大多数固体激光器的问题之一是重量。这在大型海船上问题较小，但在对重量要求较高的领域，如在飞机上安装高能激光器时，问题就更大了。

安装在 B-1 轰炸机上的高能液体激光区域防御系统 (HELLADS)。https://picryl.com/ 提供

通用原子公司与波音公司一起，正在努力解决这一问题。为此，他们在2015年创造了一种高能液体激光器。他们的成果被称为 "高能液体激光区域防御系统"（HELLADS）。该系统的额定功率为 150 千瓦。这种激光器使用液体来冷却激光材料，从而达到散热的目的。冷却液的折射率与激光材料相同。据通用原子公司报告，这种激光器不仅重量更轻，而且比类似功率的典型固体激光器更加紧凑。一些报告称，它比同类固体激光器轻五倍之多。随后，它作为地面系统进行了实弹射击测试，以评估其作为反火箭、火炮和迫击炮或 C-RAM 的性能。此后，又进一步开发出了输出功率为 250 千瓦的系统。

夜视仪
自第二次世界大战以来，夜视装置的各种版本一直用于国防领域。到越战时期，夜视仪已从需要主动照明的系统发展为被动照明系统。传统上，夜视仪的工作原理是收集反射光和红外光，并将其导入图像增强管。这实际上就像一个光电倍增管。在这一阶段之后，它们被传送到一个涂有荧光粉的屏幕上，在那里产生的图像要比在无人帮助的情况下看到的图像亮得多。现在，一些夜视仪使用 CMOS 传感器和数字增强技术来生成图像。与老式设备相比，这些设备可以生成更高分辨率的图像。
 

这是使用埃尔比特夜视镜拍摄的夜视显示屏。由《华盛顿邮报》提供。

美国陆军开始使用带有增强现实功能的夜视镜。美国埃尔比特系统公司（Elbit Systems of America）赢得了为其提供增强型夜视镜（ENVG-B）的合同。他们的设计使用了白色荧光屏，而不是通常使用的绿色荧光涂层。据说这样可以提高场景中图像之间的对比度，消除人们通常将夜视仪与绿色联系在一起的印象。增强现实功能的加入使用户可以在显示屏上投射关键信息（如地图）。他们还设计了可根据环境光照强度进行调节的设备，使其在白天也能使用。