導(dǎo)彈、飛機和坦克等武器的紅外輻射波長主要集中在中紅外波段，因此定向紅外干擾系統(tǒng)干擾源通常采用中紅外激光。高質(zhì)量中紅外激光源是定向紅外干擾系統(tǒng)中的核心組件，與系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能密切相關(guān)。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)。其中基于非線性系數(shù)、抗損傷閾值和轉(zhuǎn)換效率都比較高的磷鍺鋅（ZGP）晶體的光參量振蕩器（OPO），輸出的信號光與閑頻光都位于3 ~ 5μm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。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室趙志剛研究團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“定向紅外干擾系統(tǒng)中磷鍺鋅激光源的最新進展”為主題的綜述文章。趙志剛工程師主要從事固體激光技術(shù)的研究工作。

該文章主要介紹了定向紅外干擾系統(tǒng)中基于磷鍺鋅晶體的激光源的晶體特性、生長工藝、常用腔型和抽運源技術(shù)，詳述了磷鍺鋅激光源的最新研究和應(yīng)用進展，分析了制約磷鍺鋅激光源發(fā)展的技術(shù)瓶頸，并對磷鍺鋅激光源在定向紅外干擾系統(tǒng)中的應(yīng)用前景進行了展望。

ZGP激光源概述

ZGP晶體特性

磷鍺鋅（ZnGeP2）單晶體是綜合性能非常優(yōu)異的非線性光學(xué)材料，典型的黃銅礦結(jié)構(gòu)，四方晶系。晶體的透光波段為0.74 ~ 12μm，可用于生成中波和長波紅外激光。表1所列晶體都可以實現(xiàn)中紅外激光輸出，但受限于非線性系數(shù)、熱導(dǎo)率或損傷閾值，大部分晶體轉(zhuǎn)換效率低、容易造成晶體自身或膜層損傷，并不適合高功率、大能量中紅外激光生成?；跍?zhǔn)相位匹配技術(shù)的PPMgLN晶體制備工藝成熟、大尺寸生長技術(shù)獲得較大突破，在中紅外激光生成方面獲得了快速發(fā)展。但PPMgLN晶體的非線性系數(shù)和損傷閾值與ZGP相比，仍有不小差距，并且PPMgLN-OPO輸出的信號光位于近紅外波段，泵浦光利用率偏低。綜合來看，ZGP晶體的非線性系數(shù)、損傷閾值和熱導(dǎo)率都很高，非常符合高功率中紅外激光生成的晶體需求。

生長工藝

ZGP晶體在中遠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。我國對于ZGP單晶體的研究開始于上世紀(jì)末，主要研究機構(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。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)。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。

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，因此，抽運源必須選擇2μm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。當(dāng)前產(chǎn)生2μm激光的主要技術(shù)途徑有：KTPOPO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。但纖激光器直接泵浦ZGP-OPO的技術(shù)方案，結(jié)構(gòu)簡單緊湊易維護，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。

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和FIRE型環(huán)形腔，都各具特色?？偟膩砜矗h(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。

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，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10W，斜效率在2016年達到80.9%，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等人采用MOPA結(jié)構(gòu)獲得了大功率的ZGP-OPO抽運源。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)用中需要對光束進行整形。

2019年，錢傳鵬等人采用ZGP-OPO + ZGP-OPA（6mm × 6mm × 30mm）的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大功率中紅外激光輸出。該項研究通過透鏡補償技術(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。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)系進行了研究，為熱效應(yīng)管理和進一步提高輸出功率提供了理論參考。2020年，Liu等人采用OPO + OPA的方式對激光功率提升進行了研究。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團隊對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抽運源最高功率達到332W，在290W功率注入ZGP-OPO/OPA系統(tǒng)時，獲得了161W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。

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)定性有待進一步提高，具體應(yīng)用應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際進行綜合選擇。

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。

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。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。

抽運源

直接抽運Ho3+摻雜晶體獲取高功率2μm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)進行研究與探索。

鍍膜和關(guān)鍵器件

有學(xué)者在進行ZGP-OPO研究時，出現(xiàn)高功率下晶體膜層的損傷現(xiàn)象，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。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行嘗試。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。

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，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)量量子級聯(lián)激光器（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。

論文信息：

DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.10.002

審核編輯 ：李倩