綜述：定向紅外干擾系統(tǒng)中磷鍺鋅激光源的最新進(jìn)展

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，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(hào)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(jìn)行巧妙優(yōu)化，綜合性價(jià)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(bào)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙志剛研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(yùn)源技術(shù)，詳述了磷鍺鋅激光源的最新研究和應(yīng)用進(jìn)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(jìn)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(shí)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(hào)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(yuǎn)紅外激光生成方面具有獨(dú)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(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(cuò)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(yùn)源

ZGP晶體在近紅外1 ~ 2μm處由于本征點(diǎn)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(yùn)源必須選擇2μm以上的高功率或大能量激光作為抽運(yùn)源，并且抽運(yùn)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(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。

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(yùn)，轉(zhuǎn)換效率相對較低，并且存在輸入鏡對抽運(yùn)光的反饋效應(yīng)，通常用于抽運(yùn)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?，環(huán)形腔可以實(shí)現(xiàn)雙程抽運(yùn)，能充分利用晶體長度，結(jié)構(gòu)的建立時(shí)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(shí)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(yùn)源技術(shù)和OPO腔型的試驗(yàn)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(dá)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(diǎn)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(yùn)源。該項(xiàng)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。

2019年，錢傳鵬等人采用ZGP-OPO + ZGP-OPA（6mm × 6mm × 30mm）的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大功率中紅外激光輸出。該項(xiàng)研究通過透鏡補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)種子光光束質(zhì)量優(yōu)化，然后注入OPA實(shí)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(jià)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(yùn)源。該項(xiàng)研究采用巧妙的腔型結(jié)構(gòu)，對抽運(yùn)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。2020年，Liu等人采用OPO + OPA的方式對激光功率提升進(jìn)行了研究。該項(xiàng)研究與2019年錢傳鵬等人的成果類似，再次驗(yàn)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(tuán)隊(duì)對Ho∶YAG抽運(yùn)源和ZGP-OPO/OPA采用兩級MOPA結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，Ho∶YAG抽運(yùn)源最高功率達(dá)到332W，在290W功率注入ZGP-OPO/OPA系統(tǒng)時(shí)，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(yùn)源 + OPO結(jié)構(gòu)直接輸出中紅外激光的設(shè)計(jì)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(xiǎn)，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(yùn)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(jì)，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(shí)際進(jìn)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(shí)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(yùn)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(diǎn)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(jì)量比出現(xiàn)偏離，在生長過程中還會(huì)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(huì)誘發(fā)孿晶和出現(xiàn)裂紋。因此，對3種元素的計(jì)量比和生長過程中的溫度實(shí)現(xiàn)精確控制是未來必須攻克的難題。

抽運(yùn)源

直接抽運(yùn)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(xiǎn)，而且光束質(zhì)量很差，暫時(shí)不適合高功率抽運(yùn)源應(yīng)用實(shí)際。MOPA結(jié)構(gòu)可以獲得相對高的抽運(yùn)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(dú)特優(yōu)勢有助于抽運(yùn)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(yùn)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。

鍍膜和關(guān)鍵器件

有學(xué)者在進(jìn)行ZGP-OPO研究時(shí)，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?？紤]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。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(jìn)，抽運(yùn)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(huì)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(huì)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(huì)大幅提升定向紅外干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，同時(shí)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