黃 彥，張宇露，高志強(qiáng)，史 青，彭泳卿

用于定向紅外對抗的高功率量子級聯(lián)激光器發(fā)展綜述*

黃 彥，張宇露，高志強(qiáng)，史 青，彭泳卿

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

介紹定向紅外對抗高功率量子級聯(lián)激光器國內(nèi)外科研技術(shù)水平及商業(yè)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，歸納其芯片制備和多路合束關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)研以美國為主的研發(fā)項(xiàng)目投入，為我國高功率量子級聯(lián)激光器及其定向紅外對抗應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供參考。

量子級聯(lián)激光器；高功率；定向紅外對抗

引 言

量子級聯(lián)激光器QCL（Quantum Cascade Lasers）是一種單極型半導(dǎo)體激光器。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器依靠導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的電子躍遷產(chǎn)生光子，而QCL光子產(chǎn)生于導(dǎo)帶內(nèi)部子帶之間的電子躍遷。子帶間隙小于導(dǎo)帶與價(jià)帶的間隙，且可隨材料量子阱厚度而改變，因此QCL輸出波長比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器長，可覆蓋3μm ~20μm的中遠(yuǎn)紅外波段，在定向紅外對抗領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

定向紅外對抗DIRCM（Directional Infrared Countermeasures）是一種專門針對紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的導(dǎo)彈防御技術(shù)。它利用能量高度集中的紅外激光束定向照射來襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的光電探測器，根據(jù)激光束功率密度的不同，可以制造干擾信號使導(dǎo)引頭工作混亂而無法識別、鎖定目標(biāo)，或者使其探測器飽和而達(dá)到致眩、致盲的效果，甚至直接造成光電探測器的硬性損毀，最終使導(dǎo)引頭無法繼續(xù)向?qū)椞峁└櫮繕?biāo)的修正信號，造成導(dǎo)彈脫靶，達(dá)到保護(hù)飛行作戰(zhàn)平臺的目的[1, 2]。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈是目前發(fā)展最成熟、使用最廣泛的導(dǎo)彈類型之一。軍用運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)、直升機(jī)、民航客機(jī)等由于目標(biāo)大、速度慢、紅外特征明顯等特點(diǎn)，很容易受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈威脅。DIRCM系統(tǒng)能大幅度提升各類型飛機(jī)的戰(zhàn)場生存能力，因此一直是各國軍事裝備研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

DIRCM系統(tǒng)要求激光波長在2μm~5μm波段范圍內(nèi)，平均功率達(dá)到十瓦至數(shù)十瓦量級，具有良好的光束質(zhì)量、抗惡劣環(huán)境適應(yīng)性以及較小的體積、重量和功耗[3]。目前成熟的DIRCM系統(tǒng)，如美國Northrop Grumman公司的“復(fù)仇女神”、英國Selex Galileo公司的“獅頭戰(zhàn)神”、英國BAE公司的“果敢行動”等，普遍使用固體/光纖激光泵浦光參量振蕩器OPO（Optical Parametric Oscillator）作為激光源[4]。然而，OPO激光源包含電能到近紅外激光、再到中紅外激光的二次能量轉(zhuǎn)化過程，導(dǎo)致整體電光轉(zhuǎn)換效率相對較低（5%~10%）[5]，轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的更多廢熱將增加溫控復(fù)雜性和系統(tǒng)功耗；另一方面，二次能量轉(zhuǎn)化的原理也決定了OPO激光源在小型輕量化方面受到限制。

QCL近年來發(fā)展迅猛，以其卓越的中紅外激光輸出能力，兼具傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器尺寸小、重量輕、泵浦方式簡單等優(yōu)點(diǎn)，在DIRCM應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代DIRCM激光源的理想選擇，成為國內(nèi)外研究發(fā)展熱點(diǎn)。本文主要介紹3μm~5μm波段高功率QCL國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、DIRCM高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)以及國外的軍事投入情況。

1 高功率QCL國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外3μm~5μm波段高功率QCL科學(xué)研究現(xiàn)狀如表1所示。

表1 國內(nèi)外3μm~5μm波段高功率QCL科學(xué)研究現(xiàn)狀

除科學(xué)研究外，少數(shù)國外企業(yè)已形成成熟的高功率QCL產(chǎn)品，包括美國Daylight Solutions（主要為其子公司Daylight Defense）、美國Pranalytica、美國Thorlabs、法國MirSense、瑞士Alpes Lasers等。

美國Daylight Defense公司單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率2W，多只QCL通過波長合束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)15W激光輸出。美國陸軍通用定向紅外對抗系統(tǒng)中使用的就是該公司的Solaris QCL，如圖1所示。

圖1 美國Daylight Defense公司的Solaris QCL

美國Pranalytica公司是最早將QCL推向安全防衛(wèi)應(yīng)用領(lǐng)域的廠商，其單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率為2.5W@3.6μm/3.8μm/4μm、3.5W@4.6μm，是目前單只功率最高的商用QCL產(chǎn)品，光束質(zhì)量接近衍射極限，激光頭尺寸15cm×14cm×21cm，重1.9kg，驅(qū)動器尺寸37cm×28cm×18cm，重10kg，如圖2(a)所示。該公司的MultiLux激光器產(chǎn)品能同時(shí)輸出2μm、4μm、4.6μm三波長合束激光（2μm激光不是由QCL產(chǎn)生），室溫工作輸出最大平均功率分別為3W、2W、3W，光束質(zhì)量均為M2<1.2，激光頭尺寸25cm×25cm×17cm，重9kg，如圖2(b)所示。

美國Thorlabs公司自2014年收購了康寧公司的QCL業(yè)務(wù)和相關(guān)光學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)后，QCL技術(shù)發(fā)展迅速，相繼推出多款QCL產(chǎn)品。如圖3所示，其高功率QCL室溫工作輸出最大平均功率為0.9W@3.7μm/3.95μm、2.5W@4.6μm、1.8W@4.8μm，產(chǎn)品封裝形式多樣，結(jié)構(gòu)緊湊，便于用戶后續(xù)系統(tǒng)集成。

圖2 美國Pranalytica公司的高功率QCL產(chǎn)品

圖3 美國Thorlabs公司的QCL產(chǎn)品

法國MirSense公司單只QCL產(chǎn)品室溫工作輸出最大平均功率可達(dá)2W@4μm/4.6μm，如圖4所示，光束質(zhì)量均為M2<1.5，電光轉(zhuǎn)換效率>7%，激光頭尺寸45mm×32mm×19mm。

圖4 法國MirSense公司的高功率QCL產(chǎn)品輸出特性

瑞士Alpes Lasers公司是全球首個(gè)商業(yè)QCL公司，其高功率QCL及其驅(qū)動產(chǎn)品如圖5所示，室溫工作輸出最大平均功率為1.2W@3.95μm/4.9μm、1.5W@ 4.55μm/4.65μm，激光頭尺寸45mm×33mm×19mm，激光頭及驅(qū)動器總尺寸135mm×45mm×22mm。

上述國外3μm~5μm波段高功率QCL商業(yè)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)對比如表2所示。

綜合表1和表2可以看出，美國和歐洲少數(shù)國家在高功率QCL技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，科學(xué)研究成果和成熟商業(yè)產(chǎn)品均達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)。相比之下，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究單位少，技術(shù)發(fā)展速度及當(dāng)前水平仍與國外存在較大差距，商業(yè)化產(chǎn)品處于空白狀態(tài)，對我國DIRCM技術(shù)發(fā)展造成較大的阻礙。

圖5 瑞士Alpes Lasers公司的高功率QCL及其驅(qū)動產(chǎn)品

表2 3μm~5μm波段高功率QCL商業(yè)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)對比

2 DIRCM高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)

用于DIRCM的高功率QCL關(guān)鍵技術(shù)主要包括高質(zhì)量芯片制備技術(shù)和高光束質(zhì)量多路高效合束技術(shù)。

①高質(zhì)量芯片制備技術(shù)

QCL芯片制備技術(shù)是一項(xiàng)門檻高、工藝復(fù)雜并且從根本上決定QCL輸出性能的關(guān)鍵技術(shù)。圖6所示為一種常見的脊形波導(dǎo)QCL裸芯片結(jié)構(gòu)示意圖。其中，有源層包含20-50級周期性多量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期內(nèi)由InGaAs/InAlAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系構(gòu)成有源區(qū)和注入/弛豫區(qū)，整個(gè)有源層共包含500~1000層材料，每層材料厚度僅為數(shù)埃米至數(shù)納米，這種超薄層材料需采用分子束外延MBE（Molecular Beam Epitaxy）技術(shù)進(jìn)行生長；過渡層和波導(dǎo)包層厚度相對較厚，通常采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）技術(shù)進(jìn)行材料生長；絕緣層可采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）技術(shù)進(jìn)行制備；金屬層采用電子書蒸發(fā)（Electronic Beam Evaporation）技術(shù)進(jìn)行鍍制。裸芯片制備完成后，通常需要在其后端面鍍制光學(xué)增反膜層以增強(qiáng)諧振腔面反饋效率，之后將裸芯片封裝于熱沉上，保證良好的散熱途徑和焊接強(qiáng)度。

在整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)與制備工藝過程中，只有綜合優(yōu)化和嚴(yán)格控制光學(xué)損耗、波導(dǎo)限制、晶格匹配、材料應(yīng)力、導(dǎo)熱性等諸多因素，提高各流程工藝質(zhì)量，才能實(shí)現(xiàn)單只QCL芯片高功率、高電光轉(zhuǎn)換效率輸出。

圖6 一種常見的脊形波導(dǎo)QCL裸芯片結(jié)構(gòu)示意圖

②高光束質(zhì)量多路高效合束技術(shù)

目前單只QCL商業(yè)產(chǎn)品最大輸出平均功率為3.5W，尚無法滿足DIRCM應(yīng)用需求，為此，最直接有效的方法是通過多路合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光功率成倍提升。DIRCM激光束遠(yuǎn)距離作用于目標(biāo)，目標(biāo)表面的光功率密度對紅外對抗效能起決定性作用，它與合束路數(shù)、合束效率、單路光功率0、光斑面積密切相關(guān)，其中光斑面積與合束激光光束質(zhì)量成反比，與作用目標(biāo)距離成正比，如式（1）所示。

可以看出，提升目標(biāo)表面光功率密度的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)合束激光束的高光束質(zhì)量、多合束路數(shù)和高合束效率。常見的合束方式包括光譜合束、偏振合束、空間合束、波導(dǎo)合束等。偏振合束可實(shí)現(xiàn)合束前后激光光束質(zhì)量保持不變，但對于同波長激光只能實(shí)現(xiàn)兩路合束，而多波長激光偏振合束對波長間隔、偏振合束器件的光學(xué)膜層等具有嚴(yán)格要求，合束路數(shù)越多則要求越苛刻，實(shí)現(xiàn)高合束效率的難度也越大?？臻g合束雖然方案簡單易行、對合束器件要求較低、易實(shí)現(xiàn)高合束效率，但是合束后光束尺寸成倍增大，合束前后光功率密度得不到提升。波導(dǎo)合束是利用光纖合束器等波導(dǎo)器件進(jìn)行合束，在合束路數(shù)、光路靈活性方面具有優(yōu)勢，但這類器件通常會造成合束前后光束質(zhì)量一定程度的劣化，光功率的損失也較大，而且目前中紅外波段的光纖合束器技術(shù)還需進(jìn)一步成熟。相比之下，光譜合束不僅能實(shí)現(xiàn)合束前后光束質(zhì)量保持不變，而且能實(shí)現(xiàn)較高的合束效率和較多的合束路數(shù)。合束器件成熟，因此是目前主流的DIRCM高功率QCL多路合束方案，如圖7所示。

同一批生長制備的QCL芯片以特定間距（通常100μm~200μm）線性陣列排布，它們利用同一套準(zhǔn)直透鏡、光柵、輸出腔鏡構(gòu)成了多個(gè)外腔激光器；各QCL芯片發(fā)出的光束經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后以不同角度入射至光柵，衍射后光束傳輸至輸出腔鏡，輸出腔鏡將所有垂直入射的衍射光束原路反射，并通過光柵二次衍射將其原路返回至不同QCL芯片的有源區(qū)中形成激光振蕩，因此不同QCL芯片中起振的激光波長存在一定間隔（通常為數(shù)十納米，取決于QCL芯片陣列間距、透鏡焦距以及光柵參數(shù)）。從圖7可以看出，所有外腔激光器在光柵與輸出腔鏡之間的光路是重合的，但其光波長是不同的，從而實(shí)現(xiàn)了光譜合束。

3 DIRCM高功率QCL軍事投入

QCL技術(shù)不斷發(fā)展使各國軍方越來越多的關(guān)注其在DIRCM領(lǐng)域的巨大潛力，并紛紛加大研發(fā)投入促進(jìn)其技術(shù)成熟，國外軍方對DIRCM高功率QCL的研發(fā)投入情況如表3所示。

表3 DIRCM高功率QCL軍事投入

從表3可以看出，在DIRCM高功率QCL研究方面，美國起步最早、投入最大、發(fā)展最快，技術(shù)遙遙領(lǐng)先，日本近年也有大型研究項(xiàng)目投入。美國在巨大研發(fā)投入的支撐下，基于QCL的DIRCM系統(tǒng)已具備較高的成熟度，以美國Northrop Grumman公司的通用紅外對抗CIRCM（Common Infrared Countermeasures）系統(tǒng)為代表，其重量比美國陸軍之前部署的非QCL激光源DIRCM系統(tǒng)輕50%以上，已在“黑鷹”直升機(jī)上通過了測試，裝備了超過850架飛機(jī)。

正是QCL小型輕量的巨大優(yōu)勢帶來了CIRCM系統(tǒng)的通用性，使其不僅適用于大型飛機(jī)，而且能滿足小型固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī)甚至無人機(jī)的應(yīng)用需求，因此采用QCL作為激光源將成為DIRCM應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

高功率QCL在DIRCM領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，本文對高功率QCL國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，對DIRCM高功率QCL軍事投入進(jìn)行了調(diào)研統(tǒng)計(jì)，希望為我國QCL及其DIRCM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展提供參考。

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Overview of high power quantum cascade lasers for directional infrared countermeasures

HUANG Yan, ZHANG Yulu, GAO Zhiqiang, SHI Qing, PENG Yongqing

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

This paper introduces the scientific research and commercial products development status of high power quantum cascade lasers for directional infrared countermeasures at home and abroad, and summarizes the key technologies of chip preparation and multiple beam combining, then investigates the research and development programs, mainly in America. It’s expected to offer some reference for the technology development of high power quantum cascade lasers and directional infrared countermeasures.

Quantum cascade laser; High power; Directional infrared countermeasures

TN248.4

A

CN11-1780(2019)05-0001-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

裝備預(yù)研領(lǐng)域基金項(xiàng)目（61404140108面向光譜定標(biāo)的中紅外穩(wěn)頻量子級聯(lián)激光器）

2019-05-13

2019-07-15

黃 彥 1990年生，博士，工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級聯(lián)激光器研究。

張宇露 1989年生，碩士，工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級聯(lián)激光器研究。

高志強(qiáng) 1990年生，碩士，助理工程師，主要從事寬調(diào)諧及高功率量子級聯(lián)激光器研究。

史 青 1982年生，博士，研究員，主要從事光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。

彭泳卿 1980年生，博士，研究員，主要從事航天特種傳感器與傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。