综述：定向红外干扰系统中磷锗锌激光源的最新进展

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，因此定向红外干扰系统干扰源通常采用中红外激光。高质量中红外激光源是定向红外干扰系统中的核心组件，与系统的作战效能密切相关。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。其中基于非线性系数、抗损伤阈值和转换效率都比较高的磷锗锌（ZGP）晶体的光参量振荡器（OPO），输出的信号光与闲频光都位于3 ~ 5μm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。

据麦姆斯咨询报道，近期，电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室赵志刚研究团队在《激光与红外》期刊上发表了以“定向红外干扰系统中磷锗锌激光源的最新进展”为主题的综述文章。赵志刚工程师主要从事固体激光技术的研究工作。

该文章主要介绍了定向红外干扰系统中基于磷锗锌晶体的激光源的晶体特性、生长工艺、常用腔型和抽运源技术，详述了磷锗锌激光源的最新研究和应用进展，分析了制约磷锗锌激光源发展的技术瓶颈，并对磷锗锌激光源在定向红外干扰系统中的应用前景进行了展望。

ZGP激光源概述

ZGP晶体特性

磷锗锌（ZnGeP2）单晶体是综合性能非常优异的非线性光学材料，典型的黄铜矿结构，四方晶系。晶体的透光波段为0.74 ~ 12μm，可用于生成中波和长波红外激光。表1所列晶体都可以实现中红外激光输出，但受限于非线性系数、热导率或损伤阈值，大部分晶体转换效率低、容易造成晶体自身或膜层损伤，并不适合高功率、大能量中红外激光生成。基于准相位匹配技术的PPMgLN晶体制备工艺成熟、大尺寸生长技术获得较大突破，在中红外激光生成方面获得了快速发展。但PPMgLN晶体的非线性系数和损伤阈值与ZGP相比，仍有不小差距，并且PPMgLN-OPO输出的信号光位于近红外波段，泵浦光利用率偏低。综合来看，ZGP晶体的非线性系数、损伤阈值和热导率都很高，非常符合高功率中红外激光生成的晶体需求。

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。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。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。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。

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，因此，抽运源必须选择2μm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。当前产生2μm激光的主要技术途径有：KTPOPO技术、倍频技术、单掺Tm3+、Ho3+离子的光纤激光器和固体激光器。但纤激光器直接泵浦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。

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和FIRE型环形腔，都各具特色。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。

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，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10W，斜效率在2016年达到80.9%，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等人采用MOPA结构获得了大功率的ZGP-OPO抽运源。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。

2019年，钱传鹏等人采用ZGP-OPO + ZGP-OPA（6mm × 6mm × 30mm）的结构实现了大功率中红外激光输出。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。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。2020年，Liu等人采用OPO + OPA的方式对激光功率提升进行了研究。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332W，在290W功率注入ZGP-OPO/OPA系统时，获得了161W的中红外激光输出，这是目前基于ZGP晶体产生的最大功率。

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。

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。

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。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。

抽运源

直接抽运Ho3+掺杂晶体获取高功率2μm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。

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，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。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。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。

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，高质量量子级联激光器（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。

论文信息：

DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.10.002

 

审核编辑 ：李倩