定向紅外干擾系統(tǒng)中磷鍺鋅激光源的最新進(jìn)展

趙志剛,王德飛,李 鵬,趙 鎮(zhèn),尚 乾,陳明亮

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

1 引 言

定向紅外干擾系統(tǒng)是基于定向紅外對抗(Directional Infrared Countermeasures,DIRCM)技術(shù)的新型平臺自衛(wèi)裝備,與傳統(tǒng)的紅外干擾系統(tǒng)相比,定向紅外干擾系統(tǒng)只在實施干擾時輻射能量,并且光束狹窄,能量集中,不需要加熱,戰(zhàn)場隱蔽性和時效性強(qiáng),綜合效能高。

激光作為一種優(yōu)質(zhì)的干擾源,是定向紅外干擾系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵。由于導(dǎo)彈、飛機(jī)和坦克等武器的紅外輻射波長主要集中在中紅外波段[1],因此定向紅外干擾系統(tǒng)干擾源通常采用中紅外激光。當(dāng)前科研領(lǐng)域獲取中紅外激光源的技術(shù)雖然很多,但從定向紅外干擾系統(tǒng)的發(fā)展歷程看,主要采用的是非線性頻率變換和量子級聯(lián)技術(shù)。量子級聯(lián)激光器 QCL(Quantum Cascade Lasers)電光轉(zhuǎn)換效率高,輸出波長范圍很寬,特別是體積小、質(zhì)量輕的特質(zhì),在定向紅外干擾系統(tǒng)的集成中最具優(yōu)勢。據(jù)最新資料顯示,美軍陸軍裝配了QCL的DIRCM系統(tǒng)比非QCL的DIRCM系統(tǒng)重量輕約50 %。但QCL激光器制造工藝復(fù)雜,成本較高,目前只有極少數(shù)國家可以實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。我國科研人員最新報道的QCL輸出功率僅為1 W,還處于研發(fā)階段,貨架產(chǎn)品尚屬空白[2]。此外,QCL光束質(zhì)量相對較差,輸出功率低,需要附帶光束優(yōu)化整形和激光合束技術(shù),應(yīng)用受限[3]。相比較而言,非線性頻率變換技術(shù)產(chǎn)生的中紅外激光具有全固態(tài)、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率高、調(diào)諧性好等特點,并且晶體不參與能量交換,沒有量子虧損,產(chǎn)熱較少,技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定,已經(jīng)成為當(dāng)前工程技術(shù)應(yīng)用的主流。以ZGP、PPLN、PPLT、PPTKTP等晶體為代表的光參量振蕩器(optical parametric oscillation,OPO),極大地推動了中紅外激光的應(yīng)用。其中,基于非線性系數(shù)、抗損傷閾值和轉(zhuǎn)換效率都比較高的ZGP晶體的OPO,輸出的信號光與閑頻光都位于3～5 μm波段,能獲得大功率中紅外激光輸出,并且光束質(zhì)量可以進(jìn)行巧妙優(yōu)化,綜合性價比高,完美契合定向紅外干擾源的技術(shù)需求,被廣泛采用。

文章主要介紹了定向紅外干擾系統(tǒng)中基于ZGP晶體的激光源的相關(guān)特性和技術(shù),重點闡述了ZGP激光源的研究和應(yīng)用進(jìn)展及面臨的技術(shù)瓶頸,并對ZGP激光源在定向紅外干擾系統(tǒng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2 ZGP激光源概述

2.1 ZGP晶體特性

表1 常用非線性光學(xué)晶體性能參數(shù)Tab.1 Parameters of commonly used nonlinear optical crystals

2.2 生長工藝

ZGP晶體在中遠(yuǎn)紅外激光生成方面具有獨特優(yōu)勢,特別是在軍事領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,受到各國高度重視。對ZGP晶體的研究,最早始于日本(1966年),美國、以色列和俄羅斯等國后來居上,在生長工藝、成品質(zhì)量和實際應(yīng)用等方面都取得了豐碩成果[6]。我國對于ZGP單晶體的研究,開始于上世紀(jì)末,主要研究機(jī)構(gòu)有山東大學(xué)、四川大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國工程物理研究院化工材料研究所等,同樣也都取得了不錯的研究成果[7]。綜合來看,ZGP單晶的生長先后出現(xiàn)了水平溫度梯度冷凝(HGF)法、高壓氣相(HPVT)法、液封提拉(LEC)法和VB法四種技術(shù)。LEC法生長出的晶體雖然尺寸較大,但伴有裂紋,并且液封劑非常容易引入雜質(zhì),影響晶體均勻性,整體工藝受到很大限制。HPVT法工藝簡單,但機(jī)理復(fù)雜,生長速率慢,容易產(chǎn)生氣孔,成品尺寸相對較小,還伴有爆炸風(fēng)險,不適用于ZGP晶體的制備。相對而言,HGF法和VB法工藝成熟,都能生長出品質(zhì)優(yōu)異的大尺寸單晶體,被廣泛采用。HGF法通常采用透明的晶體爐,過程可見,可控性強(qiáng),較小的溫度梯度可以有效避免晶體在生長過程中因熱膨脹而產(chǎn)生裂紋,還可以按照加工需求實現(xiàn)定向生長,成品率較高,技術(shù)工藝相對成熟,但控溫技術(shù)、籽晶技術(shù)和設(shè)備條件要求比較苛刻。VB法的晶體生長設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,適合生長大尺寸單晶體,但過程不可見,可控性較差,材料熔體容易與坩堝粘連而產(chǎn)生缺陷[6]。目前,這兩種生長技術(shù)還在被持續(xù)研究并完善。

2.3 抽運源

ZGP晶體在近紅外1～2μm處由于本征點缺陷引起光吸收和光散射,使晶體在近紅外區(qū)透過率很低[8],因此,抽運源必須選擇2 μm以上的高功率或大能量激光作為抽運源,并且抽運光波長不同,輸出的紅外激光波長差異較大。(2.8 μm抽運光對應(yīng)輸出6.9～9.9 μm；2 μm附近抽運光對應(yīng)輸出2.7～8 μm)。

當(dāng)前產(chǎn)生2μm 激光的主要技術(shù)途徑有:KTP-OPO技術(shù)、倍頻技術(shù)、單摻Tm3+、Ho3+離子的光纖激光器和固體激光器。其中,KTP-OPO技術(shù)和倍頻技術(shù)獲得2μm激光輸出的方式,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,光束質(zhì)量較差,應(yīng)用很少。單摻Tm3+、Ho3+離子的固體激光器中,單摻Ho3+比單摻Tm3+的增益介質(zhì)有更大的發(fā)射截面和上能級壽命,更容易實現(xiàn)高功率2 μm激光輸出。摻雜Ho3+的激光晶體吸收譜峰值在1.9 μm處,目前還不能用LD直接泵浦。摻雜Tm3+的激光晶體在800 nm附近有吸收峰,適合商用激光二極管泵浦。主要代表有Ho∶YAP、Ho∶YAG、Ho∶LuAG等。單摻Tm3+、Ho3+離子的光纖激光器輸出功率低而且穩(wěn)定性較差,應(yīng)用尚不成熟。但光纖激光器直接泵浦 ZGP-OPO 的技術(shù)方案,結(jié)構(gòu)簡單緊湊易維護(hù),可靠性高,更符合工程應(yīng)用需求。隨著中紅外光纖材料及相關(guān)激光器的發(fā)展,該方案將成為中紅外 OPO 技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2.4 諧振器構(gòu)型

ZGP-OPO常見的腔型有直線腔和環(huán)型腔兩種。直線腔結(jié)構(gòu)緊湊、易于小型化、調(diào)節(jié)方便、閾值低、峰值功率密度高,但是一般為單程抽運,轉(zhuǎn)換效率相對較低,并且存在輸入鏡對抽運光的反饋效應(yīng),通常用于抽運功率較低的場景。V型三鏡和環(huán)形四鏡是典型的環(huán)形腔結(jié)構(gòu),除此之外還有RISTRA(Rotated Image Singly-Resonant Twisted Rectangle)和FIRE(Fractional Image Rotation Enhancement)型環(huán)形腔,都各具特色[9-10]?？偟膩砜?環(huán)形腔可以實現(xiàn)雙程抽運,能充分利用晶體長度,結(jié)構(gòu)的建立時間更短、熱效應(yīng)更小[11]。同時能有效避免抽運光反射而帶來的抽運源損傷,并且晶體內(nèi)的抽運光幾乎沒有重疊,大幅降低了熱透鏡效應(yīng)的影響,因此可對晶體施加更高的抽運功率,從而獲得更高的中紅外激光輸出。目前報道的最大平均輸出功率的ZGP-OPO系統(tǒng)就是采用的環(huán)型腔。此外,環(huán)形腔可以通過腔鏡來調(diào)整抽運光與信號光的走離,因而光束質(zhì)量要比直線腔好[12]。不足之處是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,調(diào)節(jié)難度大。

3 研究現(xiàn)狀

自1991年P(guān).A.Budni等人首次實現(xiàn)紅外波段光學(xué)參量振蕩激光輸出后[13],伴隨著材料技術(shù)的發(fā)展,多種抽運源技術(shù)和OPO腔型的試驗探索以及晶體生長工藝的提高,基于ZGP晶體獲得中紅外激光輸出也獲得了快速發(fā)展,輸出功率在2014年超過10 W[14],斜效率在2016年達(dá)到80.9 %[15],技術(shù)成熟度不斷提高,工程應(yīng)用日趨廣泛。從近三年的研究現(xiàn)狀看,學(xué)者在追求高輸出功率或高能量之外,基于應(yīng)用的考慮,還重點兼顧了光束質(zhì)量的改善。2018年,Zhao B R等人采用MOPA結(jié)構(gòu)獲得了大功率的ZGP-OPO抽運源。4路Tm∶YLF雙端泵浦Ho∶YAG激光器,種子光輸出功率55.1 W,M2約為1.05,后經(jīng)2路Tm:YLF放大后最大輸出功率231 W,重頻10 kHz,脈寬22.9 ns,放大系統(tǒng)的萃取效率超過60 %,M2在x和y方向上分別為1.04和1.05。然后注入到ZGP-OPO(6 mm×6 mm×30 mm)中,最終中紅外激光輸出功率110 W,斜效率62 %,M2水平和垂直方向分別為8和8.7。該項研究在中紅外激光輸出功率方面,獲得了超過百瓦的突破,但光束質(zhì)量出現(xiàn)了明顯的劣化,工程應(yīng)用中需要對光束進(jìn)行整形[16]。2019年,錢傳鵬等人采用ZGP-OPO+ZGP-OPA(6 mm×6 mm×30 mm)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大功率中紅外激光輸出。M2為1.1,平均功率超過200W的Ho∶YAG激光器被分為兩部分,65 W/135 W,分別抽運OPO和OPA。ZGP-OPO輸出的種子光功率26.6 W,斜效率72 %,最小脈寬20.2 ns,峰值功率140.6 kW。然后和另一束抽運光注入到OPA中,最終得到功率102 W,斜效率67.4 %,脈寬20.9 ns,峰值功率488 kW,M2在水平和垂直方向分別為2.7和2.8的中紅外激光輸出[17]。該項研究通過透鏡補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)種子光光束質(zhì)量優(yōu)化,然后注入OPA實現(xiàn)功率提升,使得輸出功率和光束質(zhì)量都比較理想。雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,但整體效果非常好,具備較強(qiáng)的工程參考與應(yīng)用價值。2020年,Marcin Piotrowski等人采用MOPA結(jié)構(gòu)的調(diào)Q Ho∶LLF激光器作為ZGP-OPO的抽運源。2.065 μm抽運光接近基模輸出,功率68.7W,重復(fù)頻率10kHz,光光轉(zhuǎn)換效率61.5 %。ZGP-OPO直線腔輸出中紅外激光功率38 W,在RISTRA腔和FIRE腔均產(chǎn)生超過20 W的激光輸出。該項研究采用巧妙的腔型結(jié)構(gòu),對抽運光功率與中紅外激光的M2的關(guān)系進(jìn)行了研究,為熱效應(yīng)管理和進(jìn)一步提高輸出功率提供了理論參考[18]。2020年,Liu G Y等人采用OPO+OPA的方式對激光功率提升進(jìn)行了研究。抽運源為調(diào)Q Ho∶YAG激光器,重復(fù)頻率1 kHz,ZGP-OPO輸出的種子光功率為2.2 W,在24 W的抽運功率作用下,ZGP-OPA最終輸出了11.6 W中紅外激光,光-光轉(zhuǎn)換效率為48.3 %,M2在水平方向和垂直方向分別為2.2和2.4,中心波長分別為3.85 μm和4.58 μm,光譜線寬分別為172 nm和121 nm[19]。該項研究與2019年錢傳鵬等人的成果類似,再次驗證了OPO+OPA結(jié)構(gòu)在提高輸出功率和光束質(zhì)量方面的優(yōu)勢。2021年,Liu G Y團(tuán)隊對Ho∶YAG抽運源和ZGP-OPO/OPA采用兩級MOPA結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計,Ho∶YAG抽運源最高功率達(dá)到332 W,在290 W功率注入ZGP-OPO/OPA系統(tǒng)時,獲得了161 W的中紅外激光輸出,這是目前基于ZGP晶體產(chǎn)生的最大功率。MOPA結(jié)構(gòu)很好的保證了光束質(zhì)量,最終輸出光的M2在水平和垂直方向分別為3.42和3.82,并且兩級MOPA結(jié)構(gòu)還很好了降低了光路中器件承受的高功率損傷風(fēng)險,非常值得借鑒[20]。從最新的研究成果看,抽運源+OPO結(jié)構(gòu)直接輸出中紅外激光的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)節(jié)方便,穩(wěn)定性高,但受限于晶體和鍍膜的損傷風(fēng)險,輸出功率較低,適合于中小功率應(yīng)用需求；采用MOPA結(jié)構(gòu)獲得高功率抽運源和使用OPO+OPA結(jié)構(gòu)獲得高功率中紅外激光輸出的混合設(shè)計,在獲得高輸出功率和高光束質(zhì)量中紅外激光方面更具優(yōu)勢,但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,具體應(yīng)用應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際進(jìn)行綜合選擇。

4 技術(shù)瓶頸

基于ZGP晶體的激光源作為定向紅外干擾系統(tǒng)的核心部件,要實現(xiàn)輸出功率的更大突破,當(dāng)前的主要技術(shù)瓶頸是晶體生長工藝、抽運源技術(shù)、鍍膜和關(guān)鍵器件。

4.1 晶體生長

雖然HGF法和VB法都可以成功生長出大尺寸晶體,但是距離理想狀態(tài)還有很大差距。本質(zhì)原因是ZGP晶體中的3種元素熔點差異大,Zn和P在高溫條件下容易揮發(fā)脫離熔體,造成晶體化學(xué)計量比出現(xiàn)偏離,在生長過程中還會出現(xiàn)中間產(chǎn)物引起晶體缺陷,影響透光率[21]。此外,晶體的各向異性熱膨脹會誘發(fā)孿晶和出現(xiàn)裂紋。因此,對3種元素的計量比和生長過程中的溫度實現(xiàn)精確控制是未來必須攻克的難題[22]。有學(xué)者根據(jù)1966年Utech H P等人把磁場引入水平生長InSb晶體的實驗啟示,開展了磁場下的晶體生長實驗研究,結(jié)果表明磁場能夠抑制熔體對流,減小溫度波動,有效避免了生長層的出現(xiàn),能夠明顯改善晶體質(zhì)量[23]。有學(xué)者提出采用真空-同成分粉末包裹的退火工藝或退火和電子輻照復(fù)合處理技術(shù)對ZGP晶體進(jìn)行性能改善,可以有效降低晶體內(nèi)部缺陷,提高晶體的光學(xué)和電學(xué)性能[24]。還有學(xué)者針對ZGP晶體的本征缺陷,采用溫度梯度區(qū)域熔煉法進(jìn)行了積極的嘗試[25]。這些有益的探索,對ZGP晶體的生長拓寬了思路,積累了寶貴的經(jīng)驗?？梢灶A(yù)測,ZGP晶體的生長技術(shù)必然會在將來取得重大突破。

4.2 抽運源

直接抽運Ho3+摻雜晶體獲取高功率2 μm激光源,晶體自身和鍍膜承受巨大的損傷風(fēng)險,而且光束質(zhì)量很差,暫時不適合高功率抽運源應(yīng)用實際。MOPA結(jié)構(gòu)可以獲得相對高的抽運功率,并且能夠保持較好的光束質(zhì)量,但結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,調(diào)節(jié)不便,集成度很低。光纖激光器的獨特優(yōu)勢有助于抽運源整體性能的提升,雖然目前距離理想狀態(tài)還有較大差距,但卻代表了抽運源技術(shù)未來的發(fā)展方向,需要持續(xù)進(jìn)行研究與探索。

4.3 鍍膜和關(guān)鍵器件

有學(xué)者在進(jìn)行ZGP-OPO研究時,出現(xiàn)高功率下晶體膜層的損傷現(xiàn)象[14,16],因此紅外波段鍍膜工藝對基于ZGP晶體的激光源的功率提升和穩(wěn)定性也有重要影響[26]。考慮到晶體鍵合與低濃度摻雜技術(shù)在Er3+摻雜晶體中的成功應(yīng)用,在Ho3+摻雜晶體中也可以進(jìn)行嘗試[27]。此外,用于承受高功率的短波紅外及中波紅外波段的隔離器、偏振片和波片等關(guān)鍵器件也和系統(tǒng)最終的輸出功率密切相關(guān),需要同步發(fā)展。

5 展 望

在定向紅外干擾系統(tǒng)中,基于ZGP晶體的激光源優(yōu)勢明顯,是當(dāng)前的主流。隨著晶體生長工藝的改進(jìn),抽運源的拓展,以及紅外鍍膜工藝與外圍相關(guān)器件技術(shù)的提升,未來發(fā)展前景會非常好。但不可否認(rèn)的是,各國競相加大對量子級聯(lián)技術(shù)的研發(fā),高質(zhì)量QCL的成熟化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用必定指日可待。因此,體積小、重量輕、集成度高的QCL必然會在針對性和適用性要求更高的車載或小型無人機(jī)搭載的定向紅外干擾系統(tǒng)中占據(jù)一席之地。然而尺有所短,寸有所長。不同的激光源完美契合載體,充分發(fā)揮自身優(yōu)勢,才能展現(xiàn)最佳的應(yīng)用效能。因此,各種激光技術(shù)的突破,必然會大幅提升定向紅外干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,同時也將牽引著中紅外激光技術(shù)在未來獲得更好的發(fā)展。