發布時間：2020-01-11所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：介紹了激光對抗系統中的幾類中紅外3~5 m波段的激光光源，包括固體光參量振蕩激光器，摻雜光纖激光器，光子晶體光纖激光器和量子級聯激光器。從激光輸出能力、自身質量、光束質量等方面對比分析了各自的特點，并指出了現階段激光光源應用于機載平臺所
摘 要：介紹了激光對抗系統中的幾類中紅外3~5 μm波段的激光光源，包括固體光參量振蕩激光器，摻雜光纖激光器，光子晶體光纖激光器和量子級聯激光器。從激光輸出能力、自身質量、光束質量等方面對比分析了各自的特點，并指出了現階段激光光源應用于機載平臺所需要解決的關鍵技術。
關鍵詞：中紅外激光器;激光對抗;量子級聯激光器
無源定位、跟蹤、火力引導是電磁頻譜戰相關技術的重要組成部分。針對紅外搜索與跟蹤的對抗技術，需要開展相應的激光光源技術。中紅外波段 3～5 μm 是非常重要的大氣窗口，是光學技術中非常重要的波段，廣泛地應用紅外搜索與跟蹤、空間技術、遙感等方面。而發射光譜為 3～5 μm 的中紅外激光器在光電對抗方面更有著重要的應用，可用其來干擾紅外制導導彈，保護目標免受打擊[1] 。中紅外波段的激光光源是激光對抗系統中重要組成部分。
目前，能夠產生中紅外波段的光源主要包括固體光參量振蕩激光器[2] ，摻雜光纖激光器[3] ，中紅外超連續譜光源和量子級聯激光器[4-5] 等。它們各有特點，下面將從輸出能力，輸出光束質量等方面對比分析。
1 中紅外激光光源
自由電子激光器：自由電子激光器簡單來說就是使用“自由電子”作為激光介質的激光器，是利用相對論電子束通過一個稱為搖擺器的周期變化的橫向磁感應場來與電磁輻射相互作用產生激光的裝置。其優點如下：(1)輸出功率高。由于相對論電子束有很高的功率密度，工作介質又是自由電子，不存在擊穿問題，因此自由電子激光器能產生很高的功率。(2)波長可調諧。自由電子激光器輸出波長與電子束能量有關，容易連續調諧，工作的頻率范圍可以很寬，從厘米到納米波段。(3)轉換效率高。電子動能直接轉換為激光，電子可重復利用，重復利用率達 95%以上。(4)光束質量高。工作介質為電子，比較均勻，沒有熱畸變的問題。不足的是，自由電子激光器體積龐大，價格昂貴，結構復雜，需要電子加速器和搖擺器陣列。Los Alomas 實驗室開發的先進自由電子激光器(AFEL)占地面積 12.16 m×21.28 m，主要有控制室、激光室和拱頂室組成。
氣體激光器：氣體激光器是指以氣體或蒸汽作為激光工作介質的激光器。優點是：(1)光束質量好。均勻性比固體好，易獲得接近衍射極限的高斯光束。(2)輸出功率高。損傷閾值高。不足之處在于：結構復雜，體積龐大，大多數氣體激光器工作物質有毒或腐蝕性較大。氣體工作介質的例子密度遠小于固體介質，必須增大體積提高輸出激光功率。輸出光譜位于中紅外波段的有鹵化氫(包括其同位素，如 HF、DF、HCl 等)氣體激光器(2.6~ 6.4 μm)，其抽運源來自于化學反應釋放的化學能，也稱為化學激光器。在高壓橫向放電激勵下，典型的中紅外波段輸出激光波長為：3.7~4.2 μm(DF)， 3.5~4.2 μm(HCl)和4~4.6 μm(HBr)。
CO2激光倍頻：倍頻激光器利用遠紅外脈沖CO2 激光器倍頻產生3～5 μm激光。能夠用于CO2激光器倍頻的晶體很多，晶體匹配方式分 BPM 和 QPM 兩 種 ，具 體 包 括 Te，Ag3AsS3，AgGaS2，LiInSe2， GaAs 和 ZnSe 等多種，其中 AgGaSe2 能獲得大尺寸單晶且紅外波段透過率高，是目前國內外研究最多的倍頻晶體。目前，可選擇的 CO2激光器包括 TEA CO2激光器和射頻 CO2激光器，其中，利用 TEA CO2 激光器開展倍頻技術研究的較多，其主要優點是峰值功率高，缺點則是系統結構復雜，體積大。而射頻體制的CO2激光器體積相對較小，效率高。優點：(1)CO2激光器輸出激光功率大、效率高，電光轉換效率能夠超過 30%;(2)光束質量好，激光相干性好，工作穩定，能實現單模運轉;(3)可實現 4.7 μm 和9.4 μm波段同時輸出。不足之處是體積質量大。
固體摻雜中紅外激光器：晶體中摻雜離子的方法是在增益介質中摻雜不同的雜質，利用雜質離子相應的能級躍遷來實現中紅外波段的激光輸出，從而產生中紅外光源。其中，尤其是隨著激光透明陶瓷技術的不斷突破，使得摻雜離子方法受到越來越多的關注。固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體或透明陶瓷等固體材料為工作物質的激光器。固體激光器具有結構緊湊、小巧、牢固、靈活等優點，但由于摻雜離子的限制，固體激光器的輸出波長多數在 1～2 μm 范圍內，中紅外固體激光技術一直以來發展緩慢。近年來，人們發現了可以直接發出中紅外激光的工作物質，如過渡族元素摻雜二元或三元硫族化合物和Dy3+ :PbGa2S(4 Dy:PGS)晶體，大大促進了固體中紅外激光器的發展。Fe:ZnSe 在人們非常感興趣的4～5 μm波段附近有較強的輻射能力。目前已經可以實現平均功率十瓦級和單脈沖能量百毫焦耳的中紅外激光輸出。使用 Fe:ZnSe輸出 4.3 μm 激光的主要問題是隨溫度升高效率嚴重降低以及難以獲得高性能的 3 μm泵浦源。Dy:PGS是一種非常優秀的常溫中紅外激光工作物質，Dy3+ 具有寬的吸收譜帶，且位于容易得到泵浦源的短波。目前已能實現在 4.3 μm 輸出功率高達 160 mJ。并且在沒有任何制冷條件下，在4.3 μm輸出接近高斯分布的激光束，斜率效率高達8%。
固體光參量振蕩激光器(optical parametric os⁃ cillator，OPO)：依靠改變激光波長的光參量調諧技術而制作的激光器為光參量振蕩器。光參量調諧技術可轉換得到半導體激光器、氣體激光器等傳統激光器無法達到的波段范圍。隨著各種新型非線性晶體的出現，中紅外光參量振蕩器的研究也得到了快速發展，目前到為止，能夠用于中紅外光參量振蕩器的晶體有 LiNO3，LiIO3，KTP，ZGP 和 AgCaS2 等。相關文獻記載，ZGP晶體在2~12 μm波段內，透過率高和導熱性好，且具有較高的非線性系數，因此 ZGP 成為國內外獲得中波紅外激光的最佳材料。近年來，人們對直接泵浦和級聯泵浦 ZGP OPO 的研究取得了巨大進展。其中，2010年，用Ho:YAG 作為直接泵浦的 ZGP OPO 結構在 3.06~6.6 μm 和 4.72 μm 波段分別獲得了 1.44 W 和 2 W 的平均功率。目前，在 3～5 μm 波段范圍內，使用 ZGP OPO 結構產生中紅外激光，其輸出功率最大在 13 W 左右。如果 ZGP OPO 與光參量放大器配合使用可進一步增加激光器輸出功率�，F階段，許多研究機構投身于光參量調諧技術的研究，此技術具有越來越廣闊的發展前景并將在其應用領域中發揮出更大的作用。
相關期刊推薦：《激光與光電子學進展》(月刊)創刊于1964年，由中科院上海光學精密機械研究所和國家慣性約束聚變委員會聯合主辦。旨在關注科技發展熱點，報道高新技術前沿，追蹤科技研發動態，介紹科學探索歷程;展示最新科技產品，匯萃時尚科技訊息。
固體拉曼激光器：拉曼散熱主要由介質的三階非線性效應引起的。當泵浦光光子與物質相互作用時，產生散射光的同時放出或吸收一個聲子，對應的拉曼散射稱為斯托克斯散射或反斯托克斯散射。拉曼散射的輸出波長與泵浦光波長有關，當泵浦光入射到拉曼晶體后，會產生頻移即一階斯托克斯光;當一階斯托克斯光達到一定的強度時，就作為二階斯托克斯散射的泵浦光，產生二階斯托克斯光，以此類推，該過程稱為級聯受激拉曼散射。將硅做成波導后，采用不同的泵浦波長可實現不同波段 的 中 紅 外 激 光 輸 出 。 如 采 用 寬 波 段 可 調 諧 CrCdSe 激光(2~3.5 μm)，可實現 2.23~4.2 μm 的一階拉曼激光輸出。特點：(1)脈寬較窄，可獲得納秒、皮秒甚至飛秒激光。(2)光束質量好。不足之處：(1)固體拉曼激光目前技術不夠成熟。所需泵浦源比較困難。(2)波長一般在 3 μm 附近，獲得 3~5 μm 難度大，能量小，最高為瓦級。
摻雜光纖激光器：中紅外光纖激光器使用摻有稀土元素的光纖作為增益介質。其工作原理為，當泵浦源發出的泵浦光耦合到增益介質內以后，摻雜有稀土元素的光纖將會吸收此泵浦波長上的光子而形成具有反轉效應的光學粒子，通過諧振腔鏡的反饋和振蕩作用將受激發射的光波形成激光而輸出。中紅外光纖激光器具有體積小、光束質量好、轉換效率高、散熱效果好，易于實現和光纖的耦合的優點，且近年來在激光器中的光纖材料、摻雜濃度和制作工藝等方面的研究取得了很大的進展，但是現階段中紅外光纖激光器的研究中待解決問題還較多，提純工藝水平、稀土離子濃度的提取等技術還不成熟。
中紅外超連續譜激光：窄帶激光入射到非線性介質中，一般在光纖和光子晶體光纖中，在強烈的非線性效應作用下，出射光頻譜得到了極大展寬，形成了光譜連續分布的光譜，即超連續譜。超連續譜的產生源于光纖中的非線性效應和色散效應共同作用，包括自相位調制，交叉相位調制，拉曼散射，調制不穩定性，孤子分裂，色散波等作用。超連續譜覆蓋中紅外波段即可作為光電對抗光源。目前國際上的中紅外超連續譜的水平，在 2011 年，在 ZBLAN 光纖中產生 1.9~4.5 μm 波段的超連續譜，總輸出功率 2.6 W，其中 3.8 μm 以上頻譜成分占 0.7 W。目前硫系光纖，碲化物微結構光纖， ZBLAN 光纖中產生中紅外超連續譜的研究處在實驗階段，功率水平需要進一步提高，光電對抗的效果尚需驗證。
量子級聯激光器：量子級聯激光器是基于導帶子帶間電子躍遷和聲子共振輔助隧穿實現粒子數反轉。利用分子束外延(MBE)技術生長超薄層半導體材料而對其電子能級、波函數及能帶結構實施的量子工程，使人們能夠在遠大于原子尺度的介觀尺度(1～100 nm)上觀察到量子現象，其發明是超晶格、量子阱波函數能帶工程與單原子層分子束外延及界面質量控制相結合的成功典范。量子級聯激光器輸出波長由有源區阱層和壘層的厚度決定而與材料帶隙無關，理論預測可覆蓋幾個微米至 250 μm 以上很寬的波長范圍。QCL 的級聯效應允許一個電子產生多個光子，其光子數目等于QCL的級數，由此提高了量子效率。利用量子級聯激光器產生中紅外波段激光是目前的研究熱點。尤其是隨著中紅外激光在定向紅外對抗系統領域的應用，量子級聯激光器更加受到人們重視。自從 1994 年第一支量子級聯激光器誕生于美國 Bell實驗室后， QCL 在防務安全和環境保護等領域的研究迅速展開。在高功率 QCL 產品應用上，Daylight Solutions Inc 公司開發的基于量子級聯激光器的 JammIR 系列激光系統于 2011年已經通過環境試驗。Daylight Light Inc已經完成了基于QCL的應用系統在數架直升機平臺上的飛行試驗，并已通過美國陸軍的可靠性檢測，展示出了高的技術水平。在2008-2011年之間，Daylight Solutions 交付 15 種 QCL 機載產品樣機，能夠實現數瓦級、多波長輸出。
對于紅外對抗系統采用的光源，量子級聯激光器有明顯的優勢。QCL 激光器由于體積小、質量輕，可室溫工作，工作波長更適合調諧在中波紅外制導武器的峰值工作波段內。目前，QCL激光器技術上已經取得了突破性進展。
2 中紅外量子級聯激光器關鍵技術
(1)熱管理技術
限制量子級聯激光器輸出功率的主要是由于散熱的問題。量子級聯激光器體積小，整體大小在 2 mm左右，厚度僅為100 μm，安裝熱沉上。量子級聯激光器工作時，產生大量的熱，如不及時散掉，會燒壞激光器。熱管理包括兩個方面，一是量子級聯激光器芯片內部，通過優化結構設計實現快速將熱量傳導到熱沉上;二是研究緊湊型高效散熱方法，將熱沉上積累的熱快速傳導到系統之外。因此，研究高性能室溫相變材料用于量子級聯激光器的熱管理是急需解決的問題。
(2)光束合成技術
對于現有體制的量子級聯激光器，光纖激光器來說，受限于熱效應和光學損傷，單束輸出功率有限，要得到較高功率的激光輸出，目前可行的是通過多光束合成技術。目前光束合成的概念是基于包括相干合成，非相干合成，光譜合成等技術。相干合成技術一般是由控制子光束的相位來實現的，分為兩類：一類將若干個低功率(能量)的激光束進行大氣傳輸或者多級放大系統后，相干或部分相干疊加，合成一個高功率的激光束;另一類是將低功率(能量)高光束質量的種子光與高功率(能量)光束質量較差的泵浦光合成得到經過凈化的高功率(能量)高光束質量的激光。
位相控制的線性和非線性光學方法有耦合光學諧振腔、微透鏡列陣、位相光柵和相息板等二元光學器件，相控列陣，能動光學和自適應光學器件， SBS 和 SRS 等，應根據不同使用目的選用不同的器件。非相干合成技術按照基本的技術原理可分為三種：空間疊加技術(spatial multiplexing)，偏振耦合技 術(polarization multiplexing)和 波 長 耦 合 技 術(wavelength multiplexing)。目前，采用光柵和衍射光學元件(DOE)等實現的波長合束是主流方向[6-7] ，典型的光譜合束結構如圖1所示。
(3)光束質量改善技術
量子級聯激光器的產生以能帶結構工程學和共振隧穿的發展為基礎，其核心結構半導體異質結構由分子束外延技術生長。從材料上來說，量子級聯激光器屬于半導體激光家族中的一員。半導體激光器有一個致命的弱點：沒有常規的固體激光器的光束質量好。因為半導體激光器的有源區一般是微米量級，激光的發射厚度就是微米量級，出射后相當于單縫衍射，產生很強的衍射效應，光束發散。由于量子級聯激光器有源區 XY方向的尺寸不一致，導致輸出激光存在光場畸變。在高功率量子級聯激光器中，可能存在高階橫模。高階模的成分收到激光器芯片結構的、注入電流、核溫度等因素的影響。研究抑制或利用高階模式的方法，例如通過相位板法將高階模轉換成基模，從而可以進一步增加條寬，提高輸出激光功率。
為了提高激光對抗干擾距離，遠場光束質量是必須解決的問題。量子級聯激光器輸出光束質量發散角比較大，典型的 QCL 激光輸出光斑近場如圖 2所示。
因此必須突破解決遠場光束整形技術，在遠距離獲得能量比較集中的光斑，才能有效對抗對方目標。
(4)特種QCL驅動電源技術
量子級聯激光器的驅動電源要求高精度、高穩定和高安全性。量子級聯激光器抗電沖擊能力比較弱，如果驅動電流太大，超出其額定范圍，則會將 QCL瞬間燒毀，同時，如果驅動電路工作不穩定，也會影響QCL工作，嚴重的會損壞其內部的元器件，降低其使用壽命。因此驅動電源的過流保護模塊是其關鍵環節。此外驅動電源也是一個發熱器件，通過合理的設計使其緊湊可靠也是其中的關鍵環節。
(5)光電一體小型化集成封裝技術
本質上，光和電是一致的。光是電磁波的一種，是電磁波在約 100 nm ~ 100 μm 范圍內的表現形式。量子級聯激光器的光電集成一體化封裝技術研究一些為特定任務進行優化的電路和光路結構，通過硬件設計實現光電一體化封裝集成。引入模塊化設計思想，將各個功能模塊分區布局。一個完整的激光源系統包括量子級聯激光器芯片、特種驅動電源、溫控電路、通信模塊、狀態監測模塊等，考慮將這些模塊集成在同一個微型結構中。此外探索其他架構思路，例如可以根據激光發射需求進行調整的可重構物理結構。
3 結 論
綜上所述，獲得中波紅外激光的方法種類繁多，每一種方法都具有鮮明的特點，且按照相應技術制作的中波紅外激光器都顯示出特有的優勢。目前，傳統體制的中紅外激光器受限于輸出功率低，體積龐大，電光轉換效率低等方方面面的因素，很難在飛機尤其是無人機上推廣應用。因此，研究新體制中紅外激光器，實現高功率中紅外激光器的微型化和拓展新的波段勢在必行。量子級聯激光器性能的不斷提高，其整體尺寸小，有望在未來機載和無人機載平臺上發揮作用。
SCISSCIAHCI
