定向红外干扰系统中磷锗锌激光源的最新进展

赵志刚,王德飞,李 鹏,赵 镇,尚 乾,陈明亮

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南 洛阳 471003)

1 引 言

定向红外干扰系统是基于定向红外对抗(Directional Infrared Countermeasures,DIRCM)技术的新型平台自卫装备,与传统的红外干扰系统相比,定向红外干扰系统只在实施干扰时辐射能量,并且光束狭窄,能量集中,不需要加热,战场隐蔽性和时效性强,综合效能高。

激光作为一种优质的干扰源,是定向红外干扰系统研发的关键。由于导弹、飞机和坦克等武器的红外辐射波长主要集中在中红外波段[1],因此定向红外干扰系统干扰源通常采用中红外激光。当前科研领域获取中红外激光源的技术虽然很多,但从定向红外干扰系统的发展历程看,主要采用的是非线性频率变换和量子级联技术。量子级联激光器 QCL(Quantum Cascade Lasers)电光转换效率高,输出波长范围很宽,特别是体积小、质量轻的特质,在定向红外干扰系统的集成中最具优势。据最新资料显示,美军陆军装配了QCL的DIRCM系统比非QCL的DIRCM系统重量轻约50 %。但QCL激光器制造工艺复杂,成本较高,目前只有极少数国家可以实现商品化生产。我国科研人员最新报道的QCL输出功率仅为1 W,还处于研发阶段,货架产品尚属空白[2]。此外,QCL光束质量相对较差,输出功率低,需要附带光束优化整形和激光合束技术,应用受限[3]。相比较而言,非线性频率变换技术产生的中红外激光具有全固态、转换效率和输出功率高、调谐性好等特点,并且晶体不参与能量交换,没有量子亏损,产热较少,技术成熟、性能稳定,已经成为当前工程技术应用的主流。以ZGP、PPLN、PPLT、PPTKTP等晶体为代表的光参量振荡器(optical parametric oscillation,OPO),极大地推动了中红外激光的应用。其中,基于非线性系数、抗损伤阈值和转换效率都比较高的ZGP晶体的OPO,输出的信号光与闲频光都位于3～5 μm波段,能获得大功率中红外激光输出,并且光束质量可以进行巧妙优化,综合性价比高,完美契合定向红外干扰源的技术需求,被广泛采用。

文章主要介绍了定向红外干扰系统中基于ZGP晶体的激光源的相关特性和技术,重点阐述了ZGP激光源的研究和应用进展及面临的技术瓶颈,并对ZGP激光源在定向红外干扰系统中的应用前景进行了展望。

2 ZGP激光源概述

2.1 ZGP晶体特性

表1 常用非线性光学晶体性能参数Tab.1 Parameters of commonly used nonlinear optical crystals

2.2 生长工艺

ZGP晶体在中远红外激光生成方面具有独特优势,特别是在军事领域应用前景广阔,受到各国高度重视。对ZGP晶体的研究,最早始于日本(1966年),美国、以色列和俄罗斯等国后来居上,在生长工艺、成品质量和实际应用等方面都取得了丰硕成果[6]。我国对于ZGP单晶体的研究,开始于上世纪末,主要研究机构有山东大学、四川大学、哈尔滨工业大学、安徽光学精密机械研究所和中国工程物理研究院化工材料研究所等,同样也都取得了不错的研究成果[7]。综合来看,ZGP单晶的生长先后出现了水平温度梯度冷凝(HGF)法、高压气相(HPVT)法、液封提拉(LEC)法和VB法四种技术。LEC法生长出的晶体虽然尺寸较大,但伴有裂纹,并且液封剂非常容易引入杂质,影响晶体均匀性,整体工艺受到很大限制。HPVT法工艺简单,但机理复杂,生长速率慢,容易产生气孔,成品尺寸相对较小,还伴有爆炸风险,不适用于ZGP晶体的制备。相对而言,HGF法和VB法工艺成熟,都能生长出品质优异的大尺寸单晶体,被广泛采用。HGF法通常采用透明的晶体炉,过程可见,可控性强,较小的温度梯度可以有效避免晶体在生长过程中因热膨胀而产生裂纹,还可以按照加工需求实现定向生长,成品率较高,技术工艺相对成熟,但控温技术、籽晶技术和设备条件要求比较苛刻。VB法的晶体生长设备结构简单,操作容易,适合生长大尺寸单晶体,但过程不可见,可控性较差,材料熔体容易与坩埚粘连而产生缺陷[6]。目前,这两种生长技术还在被持续研究并完善。

2.3 抽运源

ZGP晶体在近红外1～2μm处由于本征点缺陷引起光吸收和光散射,使晶体在近红外区透过率很低[8],因此,抽运源必须选择2 μm以上的高功率或大能量激光作为抽运源,并且抽运光波长不同,输出的红外激光波长差异较大。(2.8 μm抽运光对应输出6.9～9.9 μm；2 μm附近抽运光对应输出2.7～8 μm)。

当前产生2μm 激光的主要技术途径有:KTP-OPO技术、倍频技术、单掺Tm3+、Ho3+离子的光纤激光器和固体激光器。其中,KTP-OPO技术和倍频技术获得2μm激光输出的方式,结构相对复杂,光束质量较差,应用很少。单掺Tm3+、Ho3+离子的固体激光器中,单掺Ho3+比单掺Tm3+的增益介质有更大的发射截面和上能级寿命,更容易实现高功率2 μm激光输出。掺杂Ho3+的激光晶体吸收谱峰值在1.9 μm处,目前还不能用LD直接泵浦。掺杂Tm3+的激光晶体在800 nm附近有吸收峰,适合商用激光二极管泵浦。主要代表有Ho∶YAP、Ho∶YAG、Ho∶LuAG等。单掺Tm3+、Ho3+离子的光纤激光器输出功率低而且稳定性较差,应用尚不成熟。但光纤激光器直接泵浦 ZGP-OPO 的技术方案,结构简单紧凑易维护,可靠性高,更符合工程应用需求。随着中红外光纤材料及相关激光器的发展,该方案将成为中红外 OPO 技术的重要发展方向。

2.4 谐振器构型

ZGP-OPO常见的腔型有直线腔和环型腔两种。直线腔结构紧凑、易于小型化、调节方便、阈值低、峰值功率密度高,但是一般为单程抽运,转换效率相对较低,并且存在输入镜对抽运光的反馈效应,通常用于抽运功率较低的场景。V型三镜和环形四镜是典型的环形腔结构,除此之外还有RISTRA(Rotated Image Singly-Resonant Twisted Rectangle)和FIRE(Fractional Image Rotation Enhancement)型环形腔,都各具特色[9-10]。总的来看,环形腔可以实现双程抽运,能充分利用晶体长度,结构的建立时间更短、热效应更小[11]。同时能有效避免抽运光反射而带来的抽运源损伤,并且晶体内的抽运光几乎没有重叠,大幅降低了热透镜效应的影响,因此可对晶体施加更高的抽运功率,从而获得更高的中红外激光输出。目前报道的最大平均输出功率的ZGP-OPO系统就是采用的环型腔。此外,环形腔可以通过腔镜来调整抽运光与信号光的走离,因而光束质量要比直线腔好[12]。不足之处是系统结构相对复杂,调节难度大。

3 研究现状

自1991年P.A.Budni等人首次实现红外波段光学参量振荡激光输出后[13],伴随着材料技术的发展,多种抽运源技术和OPO腔型的试验探索以及晶体生长工艺的提高,基于ZGP晶体获得中红外激光输出也获得了快速发展,输出功率在2014年超过10 W[14],斜效率在2016年达到80.9 %[15],技术成熟度不断提高,工程应用日趋广泛。从近三年的研究现状看,学者在追求高输出功率或高能量之外,基于应用的考虑,还重点兼顾了光束质量的改善。2018年,Zhao B R等人采用MOPA结构获得了大功率的ZGP-OPO抽运源。4路Tm∶YLF双端泵浦Ho∶YAG激光器,种子光输出功率55.1 W,M2约为1.05,后经2路Tm:YLF放大后最大输出功率231 W,重频10 kHz,脉宽22.9 ns,放大系统的萃取效率超过60 %,M2在x和y方向上分别为1.04和1.05。然后注入到ZGP-OPO(6 mm×6 mm×30 mm)中,最终中红外激光输出功率110 W,斜效率62 %,M2水平和垂直方向分别为8和8.7。该项研究在中红外激光输出功率方面,获得了超过百瓦的突破,但光束质量出现了明显的劣化,工程应用中需要对光束进行整形[16]。2019年,钱传鹏等人采用ZGP-OPO+ZGP-OPA(6 mm×6 mm×30 mm)的结构实现了大功率中红外激光输出。M2为1.1,平均功率超过200W的Ho∶YAG激光器被分为两部分,65 W/135 W,分别抽运OPO和OPA。ZGP-OPO输出的种子光功率26.6 W,斜效率72 %,最小脉宽20.2 ns,峰值功率140.6 kW。然后和另一束抽运光注入到OPA中,最终得到功率102 W,斜效率67.4 %,脉宽20.9 ns,峰值功率488 kW,M2在水平和垂直方向分别为2.7和2.8的中红外激光输出[17]。该项研究通过透镜补偿技术实现种子光光束质量优化,然后注入OPA实现功率提升,使得输出功率和光束质量都比较理想。虽然结构相对复杂,但整体效果非常好,具备较强的工程参考与应用价值。2020年,Marcin Piotrowski等人采用MOPA结构的调Q Ho∶LLF激光器作为ZGP-OPO的抽运源。2.065 μm抽运光接近基模输出,功率68.7W,重复频率10kHz,光光转换效率61.5 %。ZGP-OPO直线腔输出中红外激光功率38 W,在RISTRA腔和FIRE腔均产生超过20 W的激光输出。该项研究采用巧妙的腔型结构,对抽运光功率与中红外激光的M2的关系进行了研究,为热效应管理和进一步提高输出功率提供了理论参考[18]。2020年,Liu G Y等人采用OPO+OPA的方式对激光功率提升进行了研究。抽运源为调Q Ho∶YAG激光器,重复频率1 kHz,ZGP-OPO输出的种子光功率为2.2 W,在24 W的抽运功率作用下,ZGP-OPA最终输出了11.6 W中红外激光,光-光转换效率为48.3 %,M2在水平方向和垂直方向分别为2.2和2.4,中心波长分别为3.85 μm和4.58 μm,光谱线宽分别为172 nm和121 nm[19]。该项研究与2019年钱传鹏等人的成果类似,再次验证了OPO+OPA结构在提高输出功率和光束质量方面的优势。2021年,Liu G Y团队对Ho∶YAG抽运源和ZGP-OPO/OPA采用两级MOPA结构的巧妙设计,Ho∶YAG抽运源最高功率达到332 W,在290 W功率注入ZGP-OPO/OPA系统时,获得了161 W的中红外激光输出,这是目前基于ZGP晶体产生的最大功率。MOPA结构很好的保证了光束质量,最终输出光的M2在水平和垂直方向分别为3.42和3.82,并且两级MOPA结构还很好了降低了光路中器件承受的高功率损伤风险,非常值得借鉴[20]。从最新的研究成果看,抽运源+OPO结构直接输出中红外激光的设计结构简单,调节方便,稳定性高,但受限于晶体和镀膜的损伤风险,输出功率较低,适合于中小功率应用需求；采用MOPA结构获得高功率抽运源和使用OPO+OPA结构获得高功率中红外激光输出的混合设计,在获得高输出功率和高光束质量中红外激光方面更具优势,但结构相对复杂,稳定性有待进一步提高,具体应用应当结合实际进行综合选择。

4 技术瓶颈

基于ZGP晶体的激光源作为定向红外干扰系统的核心部件,要实现输出功率的更大突破,当前的主要技术瓶颈是晶体生长工艺、抽运源技术、镀膜和关键器件。

4.1 晶体生长

虽然HGF法和VB法都可以成功生长出大尺寸晶体,但是距离理想状态还有很大差距。本质原因是ZGP晶体中的3种元素熔点差异大,Zn和P在高温条件下容易挥发脱离熔体,造成晶体化学计量比出现偏离,在生长过程中还会出现中间产物引起晶体缺陷,影响透光率[21]。此外,晶体的各向异性热膨胀会诱发孪晶和出现裂纹。因此,对3种元素的计量比和生长过程中的温度实现精确控制是未来必须攻克的难题[22]。有学者根据1966年Utech H P等人把磁场引入水平生长InSb晶体的实验启示,开展了磁场下的晶体生长实验研究,结果表明磁场能够抑制熔体对流,减小温度波动,有效避免了生长层的出现,能够明显改善晶体质量[23]。有学者提出采用真空-同成分粉末包裹的退火工艺或退火和电子辐照复合处理技术对ZGP晶体进行性能改善,可以有效降低晶体内部缺陷,提高晶体的光学和电学性能[24]。还有学者针对ZGP晶体的本征缺陷,采用温度梯度区域熔炼法进行了积极的尝试[25]。这些有益的探索,对ZGP晶体的生长拓宽了思路,积累了宝贵的经验。可以预测,ZGP晶体的生长技术必然会在将来取得重大突破。

4.2 抽运源

直接抽运Ho3+掺杂晶体获取高功率2 μm激光源,晶体自身和镀膜承受巨大的损伤风险,而且光束质量很差,暂时不适合高功率抽运源应用实际。MOPA结构可以获得相对高的抽运功率,并且能够保持较好的光束质量,但结构非常复杂,调节不便,集成度很低。光纤激光器的独特优势有助于抽运源整体性能的提升,虽然目前距离理想状态还有较大差距,但却代表了抽运源技术未来的发展方向,需要持续进行研究与探索。

4.3 镀膜和关键器件

有学者在进行ZGP-OPO研究时,出现高功率下晶体膜层的损伤现象[14,16],因此红外波段镀膜工艺对基于ZGP晶体的激光源的功率提升和稳定性也有重要影响[26]。考虑到晶体键合与低浓度掺杂技术在Er3+掺杂晶体中的成功应用,在Ho3+掺杂晶体中也可以进行尝试[27]。此外,用于承受高功率的短波红外及中波红外波段的隔离器、偏振片和波片等关键器件也和系统最终的输出功率密切相关,需要同步发展。

5 展 望

在定向红外干扰系统中,基于ZGP晶体的激光源优势明显,是当前的主流。随着晶体生长工艺的改进,抽运源的拓展,以及红外镀膜工艺与外围相关器件技术的提升,未来发展前景会非常好。但不可否认的是,各国竞相加大对量子级联技术的研发,高质量QCL的成熟化产品广泛应用必定指日可待。因此,体积小、重量轻、集成度高的QCL必然会在针对性和适用性要求更高的车载或小型无人机搭载的定向红外干扰系统中占据一席之地。然而尺有所短,寸有所长。不同的激光源完美契合载体,充分发挥自身优势,才能展现最佳的应用效能。因此,各种激光技术的突破,必然会大幅提升定向红外干扰系统的作战效能,同时也将牵引着中红外激光技术在未来获得更好的发展。