用于定向紅外對(duì)抗的高功率量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)展綜述*

黃 彥，張宇露，高志強(qiáng)，史 青，彭泳卿

用于定向紅外對(duì)抗的高功率量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)展綜述*

黃 彥，張宇露，高志強(qiáng)，史 青，彭泳卿

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

介紹定向紅外對(duì)抗高功率量子級(jí)聯(lián)激光器國(guó)內(nèi)外科研技術(shù)水平及商業(yè)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，歸納其芯片制備和多路合束關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)研以美國(guó)為主的研發(fā)項(xiàng)目投入，為我國(guó)高功率量子級(jí)聯(lián)激光器及其定向紅外對(duì)抗應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供參考。

量子級(jí)聯(lián)激光器；高功率；定向紅外對(duì)抗

引 言

量子級(jí)聯(lián)激光器QCL（Quantum Cascade Lasers）是一種單極型半導(dǎo)體激光器。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器依靠導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的電子躍遷產(chǎn)生光子，而QCL光子產(chǎn)生于導(dǎo)帶內(nèi)部子帶之間的電子躍遷。子帶間隙小于導(dǎo)帶與價(jià)帶的間隙，且可隨材料量子阱厚度而改變，因此QCL輸出波長(zhǎng)比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器長(zhǎng)，可覆蓋3μm ~20μm的中遠(yuǎn)紅外波段，在定向紅外對(duì)抗領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

定向紅外對(duì)抗DIRCM（Directional Infrared Countermeasures）是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的導(dǎo)彈防御技術(shù)。它利用能量高度集中的紅外激光束定向照射來(lái)襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的光電探測(cè)器，根據(jù)激光束功率密度的不同，可以制造干擾信號(hào)使導(dǎo)引頭工作混亂而無(wú)法識(shí)別、鎖定目標(biāo)，或者使其探測(cè)器飽和而達(dá)到致眩、致盲的效果，甚至直接造成光電探測(cè)器的硬性損毀，最終使導(dǎo)引頭無(wú)法繼續(xù)向?qū)椞峁└櫮繕?biāo)的修正信號(hào)，造成導(dǎo)彈脫靶，達(dá)到保護(hù)飛行作戰(zhàn)平臺(tái)的目的[1, 2]。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈是目前發(fā)展最成熟、使用最廣泛的導(dǎo)彈類(lèi)型之一。軍用運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)、直升機(jī)、民航客機(jī)等由于目標(biāo)大、速度慢、紅外特征明顯等特點(diǎn)，很容易受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈威脅。DIRCM系統(tǒng)能大幅度提升各類(lèi)型飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，因此一直是各國(guó)軍事裝備研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

DIRCM系統(tǒng)要求激光波長(zhǎng)在2μm~5μm波段范圍內(nèi)，平均功率達(dá)到十瓦至數(shù)十瓦量級(jí)，具有良好的光束質(zhì)量、抗惡劣環(huán)境適應(yīng)性以及較小的體積、重量和功耗[3]。目前成熟的DIRCM系統(tǒng)，如美國(guó)Northrop Grumman公司的“復(fù)仇女神”、英國(guó)Selex Galileo公司的“獅頭戰(zhàn)神”、英國(guó)BAE公司的“果敢行動(dòng)”等，普遍使用固體/光纖激光泵浦光參量振蕩器OPO（Optical Parametric Oscillator）作為激光源[4]。然而，OPO激光源包含電能到近紅外激光、再到中紅外激光的二次能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，導(dǎo)致整體電光轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低（5%~10%）[5]，轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的更多廢熱將增加溫控復(fù)雜性和系統(tǒng)功耗；另一方面，二次能量轉(zhuǎn)化的原理也決定了OPO激光源在小型輕量化方面受到限制。

QCL近年來(lái)發(fā)展迅猛，以其卓越的中紅外激光輸出能力，兼具傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器尺寸小、重量輕、泵浦方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在DIRCM應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代DIRCM激光源的理想選擇，成為國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展熱點(diǎn)。本文主要介紹3μm~5μm波段高功率QCL國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、DIRCM高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)以及國(guó)外的軍事投入情況。

1 高功率QCL國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外3μm~5μm波段高功率QCL科學(xué)研究現(xiàn)狀如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外3μm~5μm波段高功率QCL科學(xué)研究現(xiàn)狀

除科學(xué)研究外，少數(shù)國(guó)外企業(yè)已形成成熟的高功率QCL產(chǎn)品，包括美國(guó)Daylight Solutions（主要為其子公司Daylight Defense）、美國(guó)Pranalytica、美國(guó)Thorlabs、法國(guó)MirSense、瑞士Alpes Lasers等。

美國(guó)Daylight Defense公司單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率2W，多只QCL通過(guò)波長(zhǎng)合束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)15W激光輸出。美國(guó)陸軍通用定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)中使用的就是該公司的Solaris QCL，如圖1所示。

圖1 美國(guó)Daylight Defense公司的Solaris QCL

美國(guó)Pranalytica公司是最早將QCL推向安全防衛(wèi)應(yīng)用領(lǐng)域的廠商，其單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率為2.5W@3.6μm/3.8μm/4μm、3.5W@4.6μm，是目前單只功率最高的商用QCL產(chǎn)品，光束質(zhì)量接近衍射極限，激光頭尺寸15cm×14cm×21cm，重1.9kg，驅(qū)動(dòng)器尺寸37cm×28cm×18cm，重10kg，如圖2(a)所示。該公司的MultiLux激光器產(chǎn)品能同時(shí)輸出2μm、4μm、4.6μm三波長(zhǎng)合束激光（2μm激光不是由QCL產(chǎn)生），室溫工作輸出最大平均功率分別為3W、2W、3W，光束質(zhì)量均為M2<1.2，激光頭尺寸25cm×25cm×17cm，重9kg，如圖2(b)所示。

美國(guó)Thorlabs公司自2014年收購(gòu)了康寧公司的QCL業(yè)務(wù)和相關(guān)光學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)后，QCL技術(shù)發(fā)展迅速，相繼推出多款QCL產(chǎn)品。如圖3所示，其高功率QCL室溫工作輸出最大平均功率為0.9W@3.7μm/3.95μm、2.5W@4.6μm、1.8W@4.8μm，產(chǎn)品封裝形式多樣，結(jié)構(gòu)緊湊，便于用戶(hù)后續(xù)系統(tǒng)集成。

圖2 美國(guó)Pranalytica公司的高功率QCL產(chǎn)品

圖3 美國(guó)Thorlabs公司的QCL產(chǎn)品

法國(guó)MirSense公司單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率可達(dá)2W@4μm/4.6μm，如圖4所示，光束質(zhì)量均為M2<1.5，電光轉(zhuǎn)換效率>7%，激光頭尺寸45mm×32mm×19mm。

圖4 法國(guó)MirSense公司的高功率QCL產(chǎn)品輸出特性

瑞士Alpes Lasers公司是全球首個(gè)商業(yè)QCL公司，其高功率QCL及其驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品如圖5所示，室溫工作輸出最大平均功率為1.2W@3.95μm/4.9μm、1.5W@ 4.55μm/4.65μm，激光頭尺寸45mm×33mm×19mm，激光頭及驅(qū)動(dòng)器總尺寸135mm×45mm×22mm。

上述國(guó)外3μm~5μm波段高功率QCL商業(yè)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

綜合表1和表2可以看出，美國(guó)和歐洲少數(shù)國(guó)家在高功率QCL技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，科學(xué)研究成果和成熟商業(yè)產(chǎn)品均達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)。相比之下，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究單位少，技術(shù)發(fā)展速度及當(dāng)前水平仍與國(guó)外存在較大差距，商業(yè)化產(chǎn)品處于空白狀態(tài)，對(duì)我國(guó)DIRCM技術(shù)發(fā)展造成較大的阻礙。

圖5 瑞士Alpes Lasers公司的高功率QCL及其驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品

表2 3μm~5μm波段高功率QCL商業(yè)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)對(duì)比

2 DIRCM高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)

用于DIRCM的高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)主要包括高質(zhì)量芯片制備技術(shù)和高光束質(zhì)量多路高效合束技術(shù)。

①高質(zhì)量芯片制備技術(shù)

QCL芯片制備技術(shù)是一項(xiàng)門(mén)檻高、工藝復(fù)雜并且從根本上決定QCL輸出性能的關(guān)鍵技術(shù)。圖6所示為一種常見(jiàn)的脊形波導(dǎo)QCL裸芯片結(jié)構(gòu)示意圖。其中，有源層包含20-50級(jí)周期性多量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期內(nèi)由InGaAs/InAlAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系構(gòu)成有源區(qū)和注入/弛豫區(qū)，整個(gè)有源層共包含500~1000層材料，每層材料厚度僅為數(shù)埃米至數(shù)納米，這種超薄層材料需采用分子束外延MBE（Molecular Beam Epitaxy）技術(shù)進(jìn)行生長(zhǎng)；過(guò)渡層和波導(dǎo)包層厚度相對(duì)較厚，通常采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）技術(shù)進(jìn)行材料生長(zhǎng)；絕緣層可采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）技術(shù)進(jìn)行制備；金屬層采用電子書(shū)蒸發(fā)（Electronic Beam Evaporation）技術(shù)進(jìn)行鍍制。裸芯片制備完成后，通常需要在其后端面鍍制光學(xué)增反膜層以增強(qiáng)諧振腔面反饋效率，之后將裸芯片封裝于熱沉上，保證良好的散熱途徑和焊接強(qiáng)度。

在整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)與制備工藝過(guò)程中，只有綜合優(yōu)化和嚴(yán)格控制光學(xué)損耗、波導(dǎo)限制、晶格匹配、材料應(yīng)力、導(dǎo)熱性等諸多因素，提高各流程工藝質(zhì)量，才能實(shí)現(xiàn)單只QCL芯片高功率、高電光轉(zhuǎn)換效率輸出。

圖6 一種常見(jiàn)的脊形波導(dǎo)QCL裸芯片結(jié)構(gòu)示意圖

②高光束質(zhì)量多路高效合束技術(shù)

目前單只QCL商業(yè)產(chǎn)品最大輸出平均功率為3.5W，尚無(wú)法滿(mǎn)足DIRCM應(yīng)用需求，為此，最直接有效的方法是通過(guò)多路合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光功率成倍提升。DIRCM激光束遠(yuǎn)距離作用于目標(biāo)，目標(biāo)表面的光功率密度對(duì)紅外對(duì)抗效能起決定性作用，它與合束路數(shù)、合束效率、單路光功率0、光斑面積密切相關(guān)，其中光斑面積與合束激光光束質(zhì)量成反比，與作用目標(biāo)距離成正比，如式（1）所示。

可以看出，提升目標(biāo)表面光功率密度的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)合束激光束的高光束質(zhì)量、多合束路數(shù)和高合束效率。常見(jiàn)的合束方式包括光譜合束、偏振合束、空間合束、波導(dǎo)合束等。偏振合束可實(shí)現(xiàn)合束前后激光光束質(zhì)量保持不變，但對(duì)于同波長(zhǎng)激光只能實(shí)現(xiàn)兩路合束，而多波長(zhǎng)激光偏振合束對(duì)波長(zhǎng)間隔、偏振合束器件的光學(xué)膜層等具有嚴(yán)格要求，合束路數(shù)越多則要求越苛刻，實(shí)現(xiàn)高合束效率的難度也越大?？臻g合束雖然方案簡(jiǎn)單易行、對(duì)合束器件要求較低、易實(shí)現(xiàn)高合束效率，但是合束后光束尺寸成倍增大，合束前后光功率密度得不到提升。波導(dǎo)合束是利用光纖合束器等波導(dǎo)器件進(jìn)行合束，在合束路數(shù)、光路靈活性方面具有優(yōu)勢(shì)，但這類(lèi)器件通常會(huì)造成合束前后光束質(zhì)量一定程度的劣化，光功率的損失也較大，而且目前中紅外波段的光纖合束器技術(shù)還需進(jìn)一步成熟。相比之下，光譜合束不僅能實(shí)現(xiàn)合束前后光束質(zhì)量保持不變，而且能實(shí)現(xiàn)較高的合束效率和較多的合束路數(shù)。合束器件成熟，因此是目前主流的DIRCM高功率QCL多路合束方案，如圖7所示。

同一批生長(zhǎng)制備的QCL芯片以特定間距（通常100μm~200μm）線性陣列排布，它們利用同一套準(zhǔn)直透鏡、光柵、輸出腔鏡構(gòu)成了多個(gè)外腔激光器；各QCL芯片發(fā)出的光束經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后以不同角度入射至光柵，衍射后光束傳輸至輸出腔鏡，輸出腔鏡將所有垂直入射的衍射光束原路反射，并通過(guò)光柵二次衍射將其原路返回至不同QCL芯片的有源區(qū)中形成激光振蕩，因此不同QCL芯片中起振的激光波長(zhǎng)存在一定間隔（通常為數(shù)十納米，取決于QCL芯片陣列間距、透鏡焦距以及光柵參數(shù)）。從圖7可以看出，所有外腔激光器在光柵與輸出腔鏡之間的光路是重合的，但其光波長(zhǎng)是不同的，從而實(shí)現(xiàn)了光譜合束。

3 DIRCM高功率QCL軍事投入

QCL技術(shù)不斷發(fā)展使各國(guó)軍方越來(lái)越多的關(guān)注其在DIRCM領(lǐng)域的巨大潛力，并紛紛加大研發(fā)投入促進(jìn)其技術(shù)成熟，國(guó)外軍方對(duì)DIRCM高功率QCL的研發(fā)投入情況如表3所示。

表3 DIRCM高功率QCL軍事投入

從表3可以看出，在DIRCM高功率QCL研究方面，美國(guó)起步最早、投入最大、發(fā)展最快，技術(shù)遙遙領(lǐng)先，日本近年也有大型研究項(xiàng)目投入。美國(guó)在巨大研發(fā)投入的支撐下，基于QCL的DIRCM系統(tǒng)已具備較高的成熟度，以美國(guó)Northrop Grumman公司的通用紅外對(duì)抗CIRCM（Common Infrared Countermeasures）系統(tǒng)為代表，其重量比美國(guó)陸軍之前部署的非QCL激光源DIRCM系統(tǒng)輕50%以上，已在“黑鷹”直升機(jī)上通過(guò)了測(cè)試，裝備了超過(guò)850架飛機(jī)。

正是QCL小型輕量的巨大優(yōu)勢(shì)帶來(lái)了CIRCM系統(tǒng)的通用性，使其不僅適用于大型飛機(jī)，而且能滿(mǎn)足小型固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī)甚至無(wú)人機(jī)的應(yīng)用需求，因此采用QCL作為激光源將成為DIRCM應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高功率QCL在DIRCM領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，本文對(duì)高功率QCL國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)DIRCM高功率QCL軍事投入進(jìn)行了調(diào)研統(tǒng)計(jì)，希望為我國(guó)QCL及其DIRCM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展提供參考。

[1] 陳晨, 王喆. 紅外定向?qū)辜夹g(shù)與裝備的發(fā)展研究[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2015, 30(2): 1–6, 56, 65.CHEN Chen, WANG Zhe. Development research on directional IR countermeasure technology and equipment[J]. Electro-Optic Technology Application, 2015, 30(2): 1–6, 56, 65.

[2] 張?jiān)? 機(jī)載定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)的最新進(jìn)展[J]. 電光與控制, 2014, 21(12): 53–56.ZHANG Yuansheng. Development of airborne directional infrared countermeasure system[J]. Electronics Optics & Control, 2014, 21(12): 53–56.

[3] 楊?lèi)?ài)粉, 張佳, 李剛, 等. 用于定向紅外對(duì)抗的中波紅外激光器技術(shù)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2015, 36(1): 119–125.YANG Aifen , ZHANG Jia , LI Gang, et al. Technology of MWIR laser in directed infrared countermeasure systems[J]. Journal of Applied Optics, 2015, 36(1): 119–125.

[4] 張?jiān)? 徐亮, 陳方, 等. 機(jī)載定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)的中波紅外激光器及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電光與控制, 2017, 24(5): 56–59.ZHANG Yuansheng, XU Liang, CHEN Fang, et al. Mid-infrared lasers used in airborne directed infrared countermeasures system and its key technologies[J]. Electronics Optics & Control, 2017, 24(5): 56–59.

[5] 張?jiān)? 胡紅斌, 邊栓成, 等. 機(jī)載閉環(huán)定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與驗(yàn)證[J]. 電光與控制, 2017, 24(1): 58–62.ZHANG Yuansheng, HU Hongbin, BIAN Shuancheng, et al. Analysis and verification to key technologies of airborne close-loop directed infrared countermeasure system[J]. 2017, 24(1): 58–62.

[6] HOU Chuncai, ZHAO Yue, ZHANG Jinchuan, et al. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade laser at λ～9.4 μm[J].Journal of Semiconductors,2018,39(3):38–41.

[7] MANIJEH Razeghi. High-performance InP-based mid-IR quantum cascade lasers[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2009, 15(3): 941–951.

[8] MANIJEH Razeghi, STEVEN Slivken, YANBO Bai, et al. High power quantum cascade lasers[J]. New Journal of Physics, 2009, 11: 125017.

[9] BAI Y, BANDYOPADHYAY N, TSAO S, et al. Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall plug efficiency[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(18): 181102.

[10] JAE Su Yu, STEVEN Slivken, ALLAN J Evans, et al. High-performance continuous-wave operation of λ~4.6μm quantum-cascade lasers above room temperature[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2008, 44(8): 747–754.

[11] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. 3W Continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95: 141113.

[12] ALFREDO Bismuto, YVES Bidaux, STEPHANE Blaser, et al. High power and single mode quantum cascade lasers[J]. Optics Express, 2016, 24(10): 10694–10699.

[13] 趙越, 張錦川, 劉傳威, 等. 中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器研究進(jìn)展(特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(10): 1003001.ZHAO Yue, ZHANG Jinchuan, LIU Chuanwei, et al. Progress in mid-and far-infrared quantum cascade laser (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(10): 1003001.

Overview of high power quantum cascade lasers for directional infrared countermeasures

HUANG Yan, ZHANG Yulu, GAO Zhiqiang, SHI Qing, PENG Yongqing

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

This paper introduces the scientific research and commercial products development status of high power quantum cascade lasers for directional infrared countermeasures at home and abroad, and summarizes the key technologies of chip preparation and multiple beam combining, then investigates the research and development programs, mainly in America. It’s expected to offer some reference for the technology development of high power quantum cascade lasers and directional infrared countermeasures.

Quantum cascade laser; High power; Directional infrared countermeasures

TN248.4

A

CN11-1780(2019)05-0001-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

裝備預(yù)研領(lǐng)域基金項(xiàng)目（61404140108面向光譜定標(biāo)的中紅外穩(wěn)頻量子級(jí)聯(lián)激光器）

2019-05-13

2019-07-15

黃 彥 1990年生，博士，工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級(jí)聯(lián)激光器研究。

張宇露 1989年生，碩士，工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級(jí)聯(lián)激光器研究。

高志強(qiáng) 1990年生，碩士，助理工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級(jí)聯(lián)激光器研究。

史 青 1982年生，博士，研究員，主要從事光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。

彭泳卿 1980年生，博士，研究員，主要從事航天特種傳感器與傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。