用于定向红外对抗的高功率量子级联激光器发展综述*

黄 彦，张宇露，高志强，史 青，彭泳卿

用于定向红外对抗的高功率量子级联激光器发展综述*

黄 彦，张宇露，高志强，史 青，彭泳卿

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

介绍定向红外对抗高功率量子级联激光器国内外科研技术水平及商业产品发展现状，归纳其芯片制备和多路合束关键技术，调研以美国为主的研发项目投入，为我国高功率量子级联激光器及其定向红外对抗应用技术发展提供参考。

量子级联激光器；高功率；定向红外对抗

引 言

量子级联激光器QCL（Quantum Cascade Lasers）是一种单极型半导体激光器。传统半导体激光器依靠导带与价带之间的电子跃迁产生光子，而QCL光子产生于导带内部子带之间的电子跃迁。子带间隙小于导带与价带的间隙，且可随材料量子阱厚度而改变，因此QCL输出波长比传统半导体激光器长，可覆盖3μm ~20μm的中远红外波段，在定向红外对抗领域具有重要的应用价值。

定向红外对抗DIRCM（Directional Infrared Countermeasures）是一种专门针对红外制导导弹的导弹防御技术。它利用能量高度集中的红外激光束定向照射来袭导弹导引头的光电探测器，根据激光束功率密度的不同，可以制造干扰信号使导引头工作混乱而无法识别、锁定目标，或者使其探测器饱和而达到致眩、致盲的效果，甚至直接造成光电探测器的硬性损毁，最终使导引头无法继续向导弹提供跟踪目标的修正信号，造成导弹脱靶，达到保护飞行作战平台的目的[1, 2]。红外制导导弹是目前发展最成熟、使用最广泛的导弹类型之一。军用运输机、预警机、直升机、民航客机等由于目标大、速度慢、红外特征明显等特点，很容易受到红外制导导弹威胁。DIRCM系统能大幅度提升各类型飞机的战场生存能力，因此一直是各国军事装备研究和发展的重点。

DIRCM系统要求激光波长在2μm~5μm波段范围内，平均功率达到十瓦至数十瓦量级，具有良好的光束质量、抗恶劣环境适应性以及较小的体积、重量和功耗[3]。目前成熟的DIRCM系统，如美国Northrop Grumman公司的“复仇女神”、英国Selex Galileo公司的“狮头战神”、英国BAE公司的“果敢行动”等，普遍使用固体/光纤激光泵浦光参量振荡器OPO（Optical Parametric Oscillator）作为激光源[4]。然而，OPO激光源包含电能到近红外激光、再到中红外激光的二次能量转化过程，导致整体电光转换效率相对较低（5%~10%）[5]，转换过程中产生的更多废热将增加温控复杂性和系统功耗；另一方面，二次能量转化的原理也决定了OPO激光源在小型轻量化方面受到限制。

QCL近年来发展迅猛，以其卓越的中红外激光输出能力，兼具传统半导体激光器尺寸小、重量轻、泵浦方式简单等优点，在DIRCM应用领域体现出巨大优势，被认为是下一代DIRCM激光源的理想选择，成为国内外研究发展热点。本文主要介绍3μm~5μm波段高功率QCL国内外发展现状、DIRCM高功率QCL关键技术以及国外的军事投入情况。

1 高功率QCL国内外发展现状

国内外3μm~5μm波段高功率QCL科学研究现状如表1所示。

表1 国内外3μm~5μm波段高功率QCL科学研究现状

除科学研究外，少数国外企业已形成成熟的高功率QCL产品，包括美国Daylight Solutions（主要为其子公司Daylight Defense）、美国Pranalytica、美国Thorlabs、法国MirSense、瑞士Alpes Lasers等。

美国Daylight Defense公司单只QCL产品室温工作输出最大平均功率2W，多只QCL通过波长合束技术可实现15W激光输出。美国陆军通用定向红外对抗系统中使用的就是该公司的Solaris QCL，如图1所示。

图1 美国Daylight Defense公司的Solaris QCL

美国Pranalytica公司是最早将QCL推向安全防卫应用领域的厂商，其单只QCL产品室温工作输出最大平均功率为2.5W@3.6μm/3.8μm/4μm、3.5W@4.6μm，是目前单只功率最高的商用QCL产品，光束质量接近衍射极限，激光头尺寸15cm×14cm×21cm，重1.9kg，驱动器尺寸37cm×28cm×18cm，重10kg，如图2(a)所示。该公司的MultiLux激光器产品能同时输出2μm、4μm、4.6μm三波长合束激光（2μm激光不是由QCL产生），室温工作输出最大平均功率分别为3W、2W、3W，光束质量均为M2<1.2，激光头尺寸25cm×25cm×17cm，重9kg，如图2(b)所示。

美国Thorlabs公司自2014年收购了康宁公司的QCL业务和相关光学半导体技术研究团队后，QCL技术发展迅速，相继推出多款QCL产品。如图3所示，其高功率QCL室温工作输出最大平均功率为0.9W@3.7μm/3.95μm、2.5W@4.6μm、1.8W@4.8μm，产品封装形式多样，结构紧凑，便于用户后续系统集成。

图2 美国Pranalytica公司的高功率QCL产品

图3 美国Thorlabs公司的QCL产品

法国MirSense公司单只QCL产品室温工作输出最大平均功率可达2W@4μm/4.6μm，如图4所示，光束质量均为M2<1.5，电光转换效率>7%，激光头尺寸45mm×32mm×19mm。

图4 法国MirSense公司的高功率QCL产品输出特性

瑞士Alpes Lasers公司是全球首个商业QCL公司，其高功率QCL及其驱动产品如图5所示，室温工作输出最大平均功率为1.2W@3.95μm/4.9μm、1.5W@ 4.55μm/4.65μm，激光头尺寸45mm×33mm×19mm，激光头及驱动器总尺寸135mm×45mm×22mm。

上述国外3μm~5μm波段高功率QCL商业产品主要性能指标对比如表2所示。

综合表1和表2可以看出，美国和欧洲少数国家在高功率QCL技术领域处于领先水平，科学研究成果和成熟商业产品均达到了较高的技术指标。相比之下，国内相关技术领域研究单位少，技术发展速度及当前水平仍与国外存在较大差距，商业化产品处于空白状态，对我国DIRCM技术发展造成较大的阻碍。

图5 瑞士Alpes Lasers公司的高功率QCL及其驱动产品

表2 3μm~5μm波段高功率QCL商业产品主要性能指标对比

2 DIRCM高功率QCL关键技术

用于DIRCM的高功率QCL关键技术主要包括高质量芯片制备技术和高光束质量多路高效合束技术。

①高质量芯片制备技术

QCL芯片制备技术是一项门槛高、工艺复杂并且从根本上决定QCL输出性能的关键技术。图6所示为一种常见的脊形波导QCL裸芯片结构示意图。其中，有源层包含20-50级周期性多量子阱结构，每个周期内由InGaAs/InAlAs异质结构材料体系构成有源区和注入/弛豫区，整个有源层共包含500~1000层材料，每层材料厚度仅为数埃米至数纳米，这种超薄层材料需采用分子束外延MBE（Molecular Beam Epitaxy）技术进行生长；过渡层和波导包层厚度相对较厚，通常采用金属有机化学气相沉积MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）技术进行材料生长；绝缘层可采用等离子体增强化学气相沉积PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）技术进行制备；金属层采用电子书蒸发（Electronic Beam Evaporation）技术进行镀制。裸芯片制备完成后，通常需要在其后端面镀制光学增反膜层以增强谐振腔面反馈效率，之后将裸芯片封装于热沉上，保证良好的散热途径和焊接强度。

在整个芯片的设计与制备工艺过程中，只有综合优化和严格控制光学损耗、波导限制、晶格匹配、材料应力、导热性等诸多因素，提高各流程工艺质量，才能实现单只QCL芯片高功率、高电光转换效率输出。

图6 一种常见的脊形波导QCL裸芯片结构示意图

②高光束质量多路高效合束技术

目前单只QCL商业产品最大输出平均功率为3.5W，尚无法满足DIRCM应用需求，为此，最直接有效的方法是通过多路合束技术实现激光功率成倍提升。DIRCM激光束远距离作用于目标，目标表面的光功率密度对红外对抗效能起决定性作用，它与合束路数、合束效率、单路光功率0、光斑面积密切相关，其中光斑面积与合束激光光束质量成反比，与作用目标距离成正比，如式（1）所示。

可以看出，提升目标表面光功率密度的关键在于实现合束激光束的高光束质量、多合束路数和高合束效率。常见的合束方式包括光谱合束、偏振合束、空间合束、波导合束等。偏振合束可实现合束前后激光光束质量保持不变，但对于同波长激光只能实现两路合束，而多波长激光偏振合束对波长间隔、偏振合束器件的光学膜层等具有严格要求，合束路数越多则要求越苛刻，实现高合束效率的难度也越大。空间合束虽然方案简单易行、对合束器件要求较低、易实现高合束效率，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。波导合束是利用光纤合束器等波导器件进行合束，在合束路数、光路灵活性方面具有优势，但这类器件通常会造成合束前后光束质量一定程度的劣化，光功率的损失也较大，而且目前中红外波段的光纤合束器技术还需进一步成熟。相比之下，光谱合束不仅能实现合束前后光束质量保持不变，而且能实现较高的合束效率和较多的合束路数。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，如图7所示。

同一批生长制备的QCL芯片以特定间距（通常100μm~200μm）线性阵列排布，它们利用同一套准直透镜、光栅、输出腔镜构成了多个外腔激光器；各QCL芯片发出的光束经透镜准直后以不同角度入射至光栅，衍射后光束传输至输出腔镜，输出腔镜将所有垂直入射的衍射光束原路反射，并通过光栅二次衍射将其原路返回至不同QCL芯片的有源区中形成激光振荡，因此不同QCL芯片中起振的激光波长存在一定间隔（通常为数十纳米，取决于QCL芯片阵列间距、透镜焦距以及光栅参数）。从图7可以看出，所有外腔激光器在光栅与输出腔镜之间的光路是重合的，但其光波长是不同的，从而实现了光谱合束。

3 DIRCM高功率QCL军事投入

QCL技术不断发展使各国军方越来越多的关注其在DIRCM领域的巨大潜力，并纷纷加大研发投入促进其技术成熟，国外军方对DIRCM高功率QCL的研发投入情况如表3所示。

表3 DIRCM高功率QCL军事投入

从表3可以看出，在DIRCM高功率QCL研究方面，美国起步最早、投入最大、发展最快，技术遥遥领先，日本近年也有大型研究项目投入。美国在巨大研发投入的支撑下，基于QCL的DIRCM系统已具备较高的成熟度，以美国Northrop Grumman公司的通用红外对抗CIRCM（Common Infrared Countermeasures）系统为代表，其重量比美国陆军之前部署的非QCL激光源DIRCM系统轻50%以上，已在“黑鹰”直升机上通过了测试，装备了超过850架飞机。

正是QCL小型轻量的巨大优势带来了CIRCM系统的通用性，使其不仅适用于大型飞机，而且能满足小型固定翼飞机、旋翼机甚至无人机的应用需求，因此采用QCL作为激光源将成为DIRCM应用领域的重要发展趋势。

4 结束语

高功率QCL在DIRCM领域具有重要应用价值，本文对高功率QCL国内外发展现状和关键技术进行了分析和总结，对DIRCM高功率QCL军事投入进行了调研统计，希望为我国QCL及其DIRCM应用技术的发展提供参考。

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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

装备预研领域基金项目（61404140108面向光谱定标的中红外稳频量子级联激光器）

2019-05-13

2019-07-15

黄 彦 1990年生，博士，工程师，主要从事宽调谐及高功率量子级联激光器研究。

张宇露 1989年生，硕士，工程师，主要从事宽调谐及高功率量子级联激光器研究。

高志强 1990年生，硕士，助理工程师，主要从事宽调谐及高功率量子级联激光器研究。

史 青 1982年生，博士，研究员，主要从事光纤传感系统技术研究。

彭泳卿 1980年生，博士，研究员，主要从事航天特种传感器与传感系统技术研究。