定向紅外干擾系統中磷鍺鋅激光源的最新進展

趙志剛,王德飛,李 鵬,趙 鎮,尚 乾,陳明亮

(電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

1 引 言

定向紅外干擾系統是基于定向紅外對抗(Directional Infrared Countermeasures,DIRCM)技術的新型平臺自衛裝備,與傳統的紅外干擾系統相比,定向紅外干擾系統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,戰場隱蔽性和時效性強,綜合效能高。

激光作為一種優質的干擾源,是定向紅外干擾系統研發的關鍵。由于導彈、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[1],因此定向紅外干擾系統干擾源通常采用中紅外激光。當前科研領域獲取中紅外激光源的技術雖然很多,但從定向紅外干擾系統的發展歷程看,主要采用的是非線性頻率變換和量子級聯技術。量子級聯激光器 QCL(Quantum Cascade Lasers)電光轉換效率高,輸出波長范圍很寬,特別是體積小、質量輕的特質,在定向紅外干擾系統的集成中最具優勢。據最新資料顯示,美軍陸軍裝配了QCL的DIRCM系統比非QCL的DIRCM系統重量輕約50 %。但QCL激光器制造工藝復雜,成本較高,目前只有極少數國家可以實現商品化生產。我國科研人員最新報道的QCL輸出功率僅為1 W,還處于研發階段,貨架產品尚屬空白[2]。此外,QCL光束質量相對較差,輸出功率低,需要附帶光束優化整形和激光合束技術,應用受限[3]。相比較而言,非線性頻率變換技術產生的中紅外激光具有全固態、轉換效率和輸出功率高、調諧性好等特點,并且晶體不參與能量交換,沒有量子虧損,產熱較少,技術成熟、性能穩定,已經成為當前工程技術應用的主流。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用。其中,基于非線性系數、抗損傷閾值和轉換效率都比較高的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,并且光束質量可以進行巧妙優化,綜合性價比高,完美契合定向紅外干擾源的技術需求,被廣泛采用。

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

2 ZGP激光源概述

2.1 ZGP晶體特性

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

2.2 生長工藝

ZGP晶體在中遠紅外激光生成方面具有獨特優勢,特別是在軍事領域應用前景廣闊,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、成品質量和實際應用等方面都取得了豐碩成果[6]。我國對于ZGP單晶體的研究,開始于上世紀末,主要研究機構有山東大學、四川大學、哈爾濱工業大學、安徽光學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[7]。綜合來看,ZGP單晶的生長先后出現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。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,影響晶體均勻性,整體工藝受到很大限制。HPVT法工藝簡單,但機理復雜,生長速率慢,容易產生氣孔,成品尺寸相對較小,還伴有爆炸風險,不適用于ZGP晶體的制備。相對而言,HGF法和VB法工藝成熟,都能生長出品質優異的大尺寸單晶體,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,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生裂紋,還可以按照加工需求實現定向生長,成品率較高,技術工藝相對成熟,但控溫技術、籽晶技術和設備條件要求比較苛刻。VB法的晶體生長設備結構簡單,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生缺陷[6]。目前,這兩種生長技術還在被持續研究并完善。

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抽運光對應輸出6.9～9.9 μm；2 μm附近抽運光對應輸出2.7～8 μm)。

當前產生2μm 激光的主要技術途徑有:KTP-OPO技術、倍頻技術、單摻Tm3+、Ho3+離子的光纖激光器和固體激光器。其中,KTP-OPO技術和倍頻技術獲得2μm激光輸出的方式,結構相對復雜,光束質量較差,應用很少。單摻Tm3+、Ho3+離子的固體激光器中,單摻Ho3+比單摻Tm3+的增益介質有更大的發射截面和上能級壽命,更容易實現高功率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定性較差,應用尚不成熟。但光纖激光器直接泵浦 ZGP-OPO 的技術方案,結構簡單緊湊易維護,可靠性高,更符合工程應用需求。隨著中紅外光纖材料及相關激光器的發展,該方案將成為中紅外 OPO 技術的重要發展方向。

2.4 諧振器構型

ZGP-OPO常見的腔型有直線腔和環型腔兩種。直線腔結構緊湊、易于小型化、調節方便、閾值低、峰值功率密度高,但是一般為單程抽運,轉換效率相對較低,并且存在輸入鏡對抽運光的反饋效應,通常用于抽運功率較低的場景。V型三鏡和環形四鏡是典型的環形腔結構,除此之外還有RISTRA(Rotated Image Singly-Resonant Twisted Rectangle)和FIRE(Fractional Image Rotation Enhancement)型環形腔,都各具特色[9-10]。總的來看,環形腔可以實現雙程抽運,能充分利用晶體長度,結構的建立時間更短、熱效應更小[11]。同時能有效避免抽運光反射而帶來的抽運源損傷,并且晶體內的抽運光幾乎沒有重疊,大幅降低了熱透鏡效應的影響,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系統就是采用的環型腔。此外,環形腔可以通過腔鏡來調整抽運光與信號光的走離,因而光束質量要比直線腔好[12]。不足之處是系統結構相對復雜,調節難度大。

3 研究現狀

自1991年P.A.Budni等人首次實現紅外波段光學參量振蕩激光輸出后[13],伴隨著材料技術的發展,多種抽運源技術和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展,輸出功率在2014年超過10 W[14],斜效率在2016年達到80.9 %[15],技術成熟度不斷提高,工程應用日趨廣泛。從近三年的研究現狀看,學者在追求高輸出功率或高能量之外,基于應用的考慮,還重點兼顧了光束質量的改善。2018年,Zhao B R等人采用MOPA結構獲得了大功率的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,但光束質量出現了明顯的劣化,工程應用中需要對光束進行整形[16]。2019年,錢傳鵬等人采用ZGP-OPO+ZGP-OPA(6 mm×6 mm×30 mm)的結構實現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償技術實現種子光光束質量優化,然后注入OPA實現功率提升,使得輸出功率和光束質量都比較理想。雖然結構相對復雜,但整體效果非常好,具備較強的工程參考與應用價值。2020年,Marcin Piotrowski等人采用MOPA結構的調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,重復頻率10kHz,光光轉換效率61.5 %。ZGP-OPO直線腔輸出中紅外激光功率38 W,在RISTRA腔和FIRE腔均產生超過20 W的激光輸出。該項研究采用巧妙的腔型結構,對抽運光功率與中紅外激光的M2的關系進行了研究,為熱效應管理和進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行了研究。抽運源為調Q Ho∶YAG激光器,重復頻率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結構在提高輸出功率和光束質量方面的優勢。2021年,Liu G Y團隊對Ho∶YAG抽運源和ZGP-OPO/OPA采用兩級MOPA結構的巧妙設計,Ho∶YAG抽運源最高功率達到332 W,在290 W功率注入ZGP-OPO/OPA系統時,獲得了161 W的中紅外激光輸出,這是目前基于ZGP晶體產生的最大功率。MOPA結構很好的保證了光束質量,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結構還很好了降低了光路中器件承受的高功率損傷風險,非常值得借鑒[20]。從最新的研究成果看,抽運源+OPO結構直接輸出中紅外激光的設計結構簡單,調節方便,穩定性高,但受限于晶體和鍍膜的損傷風險,輸出功率較低,適合于中小功率應用需求；采用MOPA結構獲得高功率抽運源和使用OPO+OPA結構獲得高功率中紅外激光輸出的混合設計,在獲得高輸出功率和高光束質量中紅外激光方面更具優勢,但結構相對復雜,穩定性有待進一步提高,具體應用應當結合實際進行綜合選擇。

4 技術瓶頸

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

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,但是距離理想狀態還有很大差距。本質原因是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脫離熔體,造成晶體化學計量比出現偏離,在生長過程中還會出現中間產物引起晶體缺陷,影響透光率[21]。此外,晶體的各向異性熱膨脹會誘發孿晶和出現裂紋。因此,對3種元素的計量比和生長過程中的溫度實現精確控制是未來必須攻克的難題[22]。有學者根據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,能夠明顯改善晶體質量[23]。有學者提出采用真空-同成分粉末包裹的退火工藝或退火和電子輻照復合處理技術對ZGP晶體進行性能改善,可以有效降低晶體內部缺陷,提高晶體的光學和電學性能[24]。還有學者針對ZGP晶體的本征缺陷,采用溫度梯度區域熔煉法進行了積極的嘗試[25]。這些有益的探索,對ZGP晶體的生長拓寬了思路,積累了寶貴的經驗?？梢灶A測,ZGP晶體的生長技術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險,而且光束質量很差,暫時不適合高功率抽運源應用實際。MOPA結構可以獲得相對高的抽運功率,并且能夠保持較好的光束質量,但結構非常復雜,調節不便,集成度很低。光纖激光器的獨特優勢有助于抽運源整體性能的提升,雖然目前距離理想狀態還有較大差距,但卻代表了抽運源技術未來的發展方向,需要持續進行研究與探索。

4.3 鍍膜和關鍵器件

有學者在進行ZGP-OPO研究時,出現高功率下晶體膜層的損傷現象[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定性也有重要影響[26]?？紤]到晶體鍵合與低濃度摻雜技術在Er3+摻雜晶體中的成功應用,在Ho3+摻雜晶體中也可以進行嘗試[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、偏振片和波片等關鍵器件也和系統最終的輸出功率密切相關,需要同步發展。

5 展 望

在定向紅外干擾系統中,基于ZGP晶體的激光源優勢明顯,是當前的主流。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器件技術的提升,未來發展前景會非常好。但不可否認的是,各國競相加大對量子級聯技術的研發,高質量QCL的成熟化產品廣泛應用必定指日可待。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中占據一席之地。然而尺有所短,寸有所長。不同的激光源完美契合載體,充分發揮自身優勢,才能展現最佳的應用效能。因此,各種激光技術的突破,必然會大幅提升定向紅外干擾系統的作戰效能,同時也將牽引著中紅外激光技術在未來獲得更好的發展。