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綜述:定向紅外干擾系統(tǒng)中磷鍺鋅激光源的最新進(jìn)展

MEMS ? 來(lái)源:麥姆斯咨詢 ? 2023-01-13 11:16 ? 次閱讀

導(dǎo)彈、飛機(jī)和坦克等武器的紅外輻射波長(zhǎng)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(jí)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(guó)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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。基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的PPMgLN晶體制備工藝成熟、大尺寸生長(zhǎng)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(lái)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。

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生長(zhǎng)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(shì),特別是在軍事領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,受到各國(guó)高度重視。我國(guó)對(duì)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(guó)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(zhǎng)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(duì)而言,HGF法和VB法工藝成熟,都能生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)不同,輸出的紅外激光波長(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)較低,并且存在輸入鏡對(duì)抽運(yùn)光的反饋效應(yīng),通常用于抽運(yùn)功率較低的場(chǎng)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。總的來(lái)看,環(huán)形腔可以實(shí)現(xiàn)雙程抽運(yùn),能充分利用晶體長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)透鏡補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)種子光光束質(zhì)量?jī)?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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。

2021年,Liu團(tuán)隊(duì)對(duì)Ho∶YAG抽運(yùn)源和ZGP-OPO/OPA采用兩級(jí)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(jiǎn)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(shì),但結(jié)構(gòu)相對(duì)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(zhǎng)工藝、抽運(yùn)源技術(shù)、鍍膜和關(guān)鍵器件。

晶體生長(zhǎng)

雖然HGF法和VB法都可以成功生長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)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(duì)3種元素的計(jì)量比和生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度實(shí)現(xiàn)精確控制是未來(lái)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(duì)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(shì)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(lái)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(duì)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。考慮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(shì)明顯,是當(dāng)前的主流。隨著晶體生長(zhǎng)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(lái)發(fā)展前景會(huì)非常好。但不可否認(rèn)的是,各國(guó)競(jìng)相加大對(duì)量子級(jí)聯(lián)技術(shù)的研發(fā),高質(zhì)量量子級(jí)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(duì)性和適用性要求更高的車載或小型無(wú)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(zhǎng)。不同的激光源完美契合載體,充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì),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(lái)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

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原文標(biāo)題:綜述:定向紅外干擾系統(tǒng)中磷鍺鋅激光源的最新進(jìn)展

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    放大器 高重頻大能量中波紅外激光器裝置結(jié)構(gòu)圖 近日,中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部研究團(tuán)隊(duì)基于2.1μm Ho:YAG主振蕩放大器泵浦ZGP晶體,在千赫茲重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了大能量3
    的頭像 發(fā)表于 04-24 06:37 ?582次閱讀
    上海光機(jī)所在高重頻大能量中波<b class='flag-5'>紅外</b><b class='flag-5'>激光</b>研究方面取得<b class='flag-5'>新進(jìn)展</b>

    百度首席技術(shù)官王海峰解讀文心大模型的關(guān)鍵技術(shù)和最新進(jìn)展

    4月16日,以“創(chuàng)造未來(lái)”為主題的Create 2024百度AI開發(fā)者大會(huì)在深圳國(guó)際會(huì)展中心成功舉辦。百度首席技術(shù)官王海峰以“技術(shù)筑基,星河璀璨”為題,發(fā)表演講,解讀了智能體、代碼、多模型等多項(xiàng)文心大模型的關(guān)鍵技術(shù)和最新進(jìn)展
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    百度首席技術(shù)官王海峰解讀文心大模型的關(guān)鍵技術(shù)和<b class='flag-5'>最新進(jìn)展</b>

    綜述:高性能銻化物紅外半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

    據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)受邀在《激光技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“高性能銻化物紅外半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)
    的頭像 發(fā)表于 04-13 12:08 ?2330次閱讀
    <b class='flag-5'>綜述</b>:高性能銻化物<b class='flag-5'>中</b><b class='flag-5'>紅外</b>半導(dǎo)體<b class='flag-5'>激光</b>器研究<b class='flag-5'>進(jìn)展</b>
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