中红外激光在光电对抗领域的应用及进展*

杨俊彦，公发全，刘 锐，李 刚

(1.上海航天控制技术研究所·上海·201109； 2.中国科学院大连化学物理研究所 化学激光重点实验室·大连·116023)

0 引 言

激光具有传输性能优异、指向性好等特点。在激光诞生初期,人们就开始思考其军事应用价值。激光在应用于光电对抗、作为告警或者干扰机时，一般需要在大气内传输[1]，但不同波长的光在大气传输过程中存在很严重的吸收效应。地球表面的湍流大气是一种典型的相对较弱的非均匀介质。当激光光束通过湍流大气时,大气湍流的影响会导致激光光束呈现发散、畸变、闪烁等，其中主要的影响是由空气中水汽、CO、CO2气体对特定波长激光的强吸收所产生的。如图1红外波段大气透射光谱所示，在大气中存在3个“窗口”波段，分别为1～3μm，3～5μm，8～14μm。其中在3～5μm波段，存在多条与现有激光增益介质具有相同发射谱线或调制后可达到的光谱谱线，在光电对抗领域具有重要的应用价值。早在1997年10月[2]，美国陆军首次采用中红外波段化学激光器，在美国新墨西哥州的白杨导弹试验场，对一枚近轨道失控的间谍卫星进行了摧毁。该实验验证了采用中红外波段化学激光远距离传输激光对抗系统方案的可行性，但该实验也造成了大量的太空垃圾，增加的太空垃圾给他国航天器带来了巨大风险。为避免国际舆论纠纷，鉴于中红外软杀伤激光系统获得了迅猛的发展，通常采用低功率中红外激光在透过大气层后对目标进行辐照，其主要原理是基于辐照硅光电池或探测器靶面硅基底，使得其传输图像、通信能力或探测能力下降。利用激光干扰和软杀伤星载、机载和舰载摄像机的红外光电器件，取代毁伤和硬破坏，具有更好的隐蔽性。

图1 红外波段大气透射光谱[3] Fig.1 Atmospheric transmission spectrum in infrared band[3]

目前，中红外激光对抗系统通常集成了告警、跟踪、瞄准、干扰和毁伤于一体的复合系统，对于目前探测和干扰第四代基于3～5μm的中红外凝视成像制导武器系统具有重要的应用前景。根据使用环境不同，对抗系统可实现车载、舰载、机载和天基平台，因此发展中红外激光光电对抗系统具有重要的战略意义和实用价值。

1 中红外激光光电在对抗中的应用

由于中红外激光器是光电对抗系统中的重要组成部分，通常应用于实战的激光器一般但不限于由化学、气体和固体激光器组成。由于激光武器具有“发现即摧毁”的优势，其在军事上具有重大的应用价值。另外，由于3～5μm中红外波段是重要的大气窗口之一，应用中红外波段的告警、干扰和毁伤激光对抗系统已成为各个国家争相研制的重点。

图2 激光武器系统组成[4] Fig.2 Composition of laser weaponsystem[4]

目前，以美国为代表的激光光电对抗系统逐步实现了军事化和商用化，其中由诺斯罗普·格鲁曼公司[5]开发的复仇女神对抗系统能够实现的探测距离已达到10km，跟踪精度已达到0.05°。该系统光源采用DPL泵浦光参量振荡器(OPO)实现3波段激光输出，分别是A波段1～3μm，3W；B波段3～5μm，2W；C波段8～12μm，5W。光源质量仅有4.15kg。根据文献报道，在实验中，该系统使4枚从3～4.7km外发射的红外制导导弹偏离靶点超150m，目前已经装备美军使用。另一款由美国BAE公司研发的红外对抗系统，采用ZGP-OPO方式，可产生双波段中红外激光器。该泵浦源采用Tm:Ho:YLF共掺杂激光器作为泵浦源，可产生3个波段激光输出，分别是A波段1～3μm，5W；B波段3～5μm，0.5W；C波段8～12μm，5W。系统质量为13kg，激光器的转化效率达到了7%。该系统的创新之处在于通过突破单光子衰减的固体激光技术(倍增泵浦光子)，提升了泵浦源的效率，进而实现了整个系统插电效率的提升，该装备已装备在美军阿帕奇和黑鹰直升机上，已展开实战化应用。

图3 阿帕奇AH-64D攻击直升机尾翼末端的 定向红外对抗系统Fig.3 Directional infrared countermeasure system of Apache AH-64D attacking helicopter tail end

在高功率连续方面，美军主要采用了大功率MW级化学激光器。2008年，美国空军将一台DF化学激光器装载于一架波音747机载平台上，并进行了空中实验。根据波音747载重量推算，该激光系统质量在130～150t之间，其可产生3.7～4.3μm的波长。目前通过文献调研，美国正在研制的基于光纤技术的对抗装置主要是连续大功率输出方向。例如，2017年美国圣剑项目，实现了7个紧凑型光纤激光器的光学相控阵组合，实现了7km目标距离的精确毁伤，该系统完美地解决了大气湍流扰动情况，系统性能达到美国陆军装备需求。随后，美国国防部高级研究计划局启动了闪电项目，目标研制功率大于300kW，具有30发发射能力，质量功率比为2kg/kW，耗能不超过100kW/m2，用于飞机自卫和中程弹道导弹防御计划。

图4 美国空军机载化学激光武器平台KF135-AFig.4 US Air Force airborne chemical laser weapon platform KF135-A

2011年，美国海军成功进行了10kW-Mk38-TLS激光防御系统演示，其主要作战目标为水面小型船只、海面舰船和空中小型无人机系统。通过研判该系统，可通过OPO技术手段实现中红外波段千瓦级的发射需求，但后续实用化报道并未发表。目前，中红外光纤光源还没有突破4μm以上的波段输出，最长输出波长为3.95μm，主要原因在于缺乏高性能、低声子能量、低损耗的中红外玻璃，以及高质量、高功率近红外泵浦源。另一个限制中红外波段激光输出功率提升的因素为某些稀土离子固有的能级结构，这类能级结构易导致离子间产生强烈的交叉弛豫，离子中激光下能级寿命过长而激光上能级寿命过短，对激光产生不利因素。

图5 美国商用UAE - AN/AAQ 24(V)红外对抗系统Fig.5 US commercial UAE-AN/ AAQ 24 (V) infrared countermeasure system

2015年，美国将商用UAE - AN/AAQ 24(V)红外对抗系统出售给阿拉伯联合酋长国，主要用于元首乘坐的飞机的防御，消除日益增长的红外制导威胁，但具体参数没有公布。美国雷声公司的方案使用了AIM-9X“响尾蛇”空空导弹的目标指示器，并且整合了“量子级联激光器”模块，这是美国首次对实战化应用QCL激光器的报道。另外，美国BAE系统公司与诺斯罗普·格鲁曼公司正在进行合作研发，主要针对单兵便携式防空系统进行防御，整套系统设计质量小于38.6kg。

俄罗斯主要采用的技术路线为OPO和OPA固体激光技术，采用Er：YAG作为泵浦源，实现了Fe:ZnSe的低温泵浦实验，已经在2.94μm、4.3μm和4.8μm波段实现了单脉冲能量大于1J的激光验证试验[6]，系统已经满足了实战要求。尤其在以HF泵浦为泵浦源的原理验证实验模型中，成功实现了焦耳级输出低温Fe:ZnSe激光器，完全具备军事应用能力。

2 中红外(3～5μm)激光光源及分类

在中红外光电对抗系统中，发射谱线在3～5μm的激光光源是其重要的关键核心技术。典型的中红外化学激光器的波段输出激光波长为：3.7～4.2μm(DF)、3.5～4.2μm(HCl)和4～4.6μm(HBr)；气体激光器主要为倍频工作的CO2激光器，可产生双波长4.7μm和9.4μm的激光输出；在固体激光方面，主要有可产生4.3μm波段的Fe:ZnSe、3～12μm波段的(OPO-ZGP)、1.8～4.5μm的ZBLAN光纤激光，以及3～5μm的量子级联激光器。下面介绍一下几种典型的能够应用于实战的激光器的光源和分类情况。

图6 化学激光器出光示意图Fig.6 Light output diagram of chemical laser

化学激光器：1964年，美国G·C·皮门塔尔等人首先实现了碘和氯化氢化学激光，在1967年首次实现了脉冲HF激光振荡验证实验，随即开启了化学能转化光能的大门。以HCl化学激光器为例[7]，其反应动力学过程为

Cl2+H2-→HCl+H

H+Cl2→HF(υ-1)+Cl

尽管第一阶段反应很慢，并不产生氯化氢分子的振荡激发，但其化学反应过程和化学能转化为光能的机理为后续其他物质的激光器研究奠定了良好的理论和实验基础。通常而言，化学激光器采用化学反应、电激励或燃烧驱动激励的方式工作，将化学能转化为光能[8]。由于增益介质(HF、DF、HCl)[9]采用气体形式，获得的激光可以获得极好的均匀性和优异的光束质量，同时可获得数十千瓦的连续激光输出，是目前有资料报道的唯一实现兆瓦出光的激光器。化学激光器的缺点同样缘于其气体工作介质需要很大的体积，采用的增益介质气体具有很大的腐蚀性和毒性。

图7 二氧化碳激光器出光示意图Fig.7 Light output diagram of CO2 laser

气体激光器：1964年，首次实现CO2激光器出光，并获得了波长为10.6μm的激光输出。以射频二氧化碳激光器为例，其工作原理[10]主要是利用二氧化碳分子的三种振动方式，即变形、对称，以及反对称振动态。其中，从0002-1000跃迁产生10.6μm波段，从1001-1000和0201-0200跃迁产生4.3μm波段[11]。目前，该激光器通常采用横向激励高气压二氧化碳和射频二氧化碳激光器。两种工作方式的主要差异在于体积质量比。该气体激光器可获得高功率激光输出，电光转化效率大于30%，倍频后可同时实现4.7μm和9.4μm双波段基模输出。由于采用了电激励泵浦方式，该气体激光器可实现大能量焦耳量级脉冲激光器，在光电对抗中具有重要的应用前景。

固体激光器：1960年7月7日，美国科学家梅曼首次利用红宝石作为增益介质[12]，采用闪光灯泵浦的方式实现了世界上第一台激光器。其基本工作原理为将红宝石晶体(Al2O3，其晶体内掺有约0.05%的Cr2O3)，利用灯泵浦的方式将铬离子从基态跃迁到激发态，通过无辐射跃迁到亚稳态后，再回到激发态释放光子，光子通过谐振腔腔镜放大后输出。

图8 Er3+光纤激光器[12] Fig.8 Er3+ fiber laser[12]

固体激光一般采用块状或光纤状基底(晶体、玻璃或陶瓷)，掺杂的增益介质为Er、Tm、Ho等稀土元素，利用不同的掺杂离子获得不同的波长激光输出，同时结合ZGP-OPO结构实现中远红外激光输出。另外,在直接输出中红外固体激光方向中，Fe:ZnSe增益介质可直接输出4～5μm波段激光，但是它的输出能力受限于3μm附近的泵浦源的输出功率。因此在应用上，大能量方向一般结合放电非链式反应的化学激光器HF(2.6～3.1μm)为泵浦源，实现大能量激光脉冲，但是该装置的体积/功率比较大。

图9 量子级联激光器Fig.9 Quantum cascade laser

与此同时，随着半导体技术的进一步发展，新型量子级联激光器应运而生，其主要基于电子在量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理制作而成相较于传统的半导体激光器，该激光器只有电子参与，波长的选择可以通过势阱和势垒的能带裁剪实现。1994年，第一只量子级联激光器在美国贝尔实验室诞生，这被视为半导体激光领域的一次革命。其发射谱段涵盖3～5μm，能够满足集成化和小型化使用要求。由于其具有直接电-光转换特性，因此具有体积小、质量小和效率高等特点。虽然在3～5μm波段其量子阱深度有限，导致其转化效率较低，但其优异的功率/体积比使得其有希望装备于小型化无人机上。目前采用量子阱外延生长技术，基于磷化铟的脊波导结构，利用F-P腔型，能够实现单管1W的中红外激光输出。通过合束技术[13]，可实现10W以上的激光输出，目前可满足短距离光电对抗需求。2020年8月，中国电子技术集团公司实验室(天津)在系统整体质量不超过1kg的前提下，实现了3.6W的激光输出，远场发散角达到了5mrad，是目前国内公开报道的最高的输出功率水平。未来其发展方向主要是提高室温下的功率、波长调制、提高连续或准连续工作模式下的稳定性等。

图10 ZGP光参量振荡器实验装置示意图[14] Fig.10 Schematic diagram of ZGP optical parametric oscillator[14]

近年来，光参量调谐技术(OPO)得到迅猛发展，是固体激光器产生中红外激光的重要手段。目前，一般工程上使用的典型非线性晶体为ZGP，该晶体具有优异的中红外波段透过特性，在2～12μm波段具有优异的光谱性能，同时具备良好的非线性系数和导热性能。另外，近年来随着对激光与物质相互作用机理研究的进一步深入，基于超短脉冲的中红外激光器逐渐成为新的发展方向。在激光与物质相互作用中，长脉冲(μm)或准连续斩波激光主要通过液相流动及气相变化引起质量迁移，进而使得靶点表面形貌发生变化。短脉冲作用机理主要是通过光致、雪崩电离和韧致辐射等过程对靶材产生破坏。大量的实验研究发现，相较于连续激光器，超短脉冲激光器具有热扩散区域小、峰值功率高、易于实现有效局域破坏、耗能低等特点，中红外纳秒和皮秒激光在光电对抗领域拥有良好的应用前景。

从以上介绍的三类典型中红外激光光源可以看出，在大功率连续激光方面，主要以化学激光为主，气体激光和固体激光在连续和脉冲方向上也具有显著的优势。固体中红外激光由于具有良好的功率/体积比和插电出光特性，非常适合在光电对抗领域[15]应用，并适用于机载、天基平台，在配合吊舱和发射系统使用时，是实现光电对抗的理想光源。如果能够进一步克服相关材料的制备、热管理技术和发射技术，该光电对抗系统的应用距离将获得进一步提升。

3 中红外(3～5μm)激光发展趋势

中红外激光光电对抗的杀伤方式，共分为两种，一种是带内损伤，也可称之为软杀伤，另一种为带外损伤。光电对抗主要采用带内损伤机制进行工作，利用激光的热辐射毁伤、致盲、致炫硅光探测器，使对方失去探测能力或攻击能力。伪装干扰系统利用了激光良好的单色性和高亮性，通过高功率辐射形成人造热辐射源，使敌方识别系统发生误判，从而丧失或迷惑红外制导武器系统的预判，使其失去攻击性能或诱骗其攻击虚假目标。

图11 高超声速导弹Fig.11 Hypersonic missiles

未来，随着高超声速5～30马赫精确制导武器的涌现，常规作战或防御武器已无法实现拦截、跟踪、告警等任务，只有激光武器系统可以实现以上任务。同时，随着第六代战机的研制，及其提出的无人驾驶、高超声速和超机动性的要求，机载激光告警系统对体积/功率比的要求将会更加严格。因此，下一代机载(战斗机、直升机)光电对抗系统，将会继续采用固体或固气混合模式工作的激光系统，同时配合跟瞄系统和雷达系统，通过多环节的配合，实现主动对抗和防御目的。

化学激光器已可实现长时间运行MW激光输出，但其附属设备较为复杂，适用于陆基、海基工作平台。今后其研究重点方向主要是轻量化、小型化，力争于车载或机载平台上使用。例如，2008年美国将该实验装置置于波音飞机上，并开展了相关实验，但后续没有相关报道。在轻量化方面，可将实验内固定装置的部件进行塑料化或采用强度相当但质量小的材质实现替代，并设置合理模块分离抛弃装置，进一步提升化学激光器的战场生存能力。因此，化学激光器如果解决了轻量化和小型化问题，其将具有更加广泛的军事应用前景。

气体激光主要以激光为代表，已经实现了准连续MW量级峰值功率脉冲输出，脉冲宽度为数十毫秒，重复频率为1Hz，总质量约为10～15kg，早期主要应用于1984年生产的M1型主战坦克测距系统中，后期通过利用倍频技术可实现中红外激光输出。典型的中红外气体激光器为CO2倍频、可产生3～5μm激光输出的中红外输出激光器。常用的大尺寸倍频晶体为AgGaSe2，该晶体在中红外波段透过率高，并且生产工艺简单，可烧制大尺寸大口径，利于大能量或高功率中红外激光输出。在直接输出4.3μm波段中，2019年[16]，国防科技大学首次在世界上实现了第一台非掺杂二氧化碳气体空心光纤激光器，获得了82mW、4.3μm的连续激光输出。目前，随着氟化物光纤和空心光纤工艺的进一步发展，二氧化碳激光器正朝着LD泵浦充气光纤化、小型化方向发展，从而避免了由二氧化碳激光器体积过大带来的应用困难，进一步拓宽了其在工业、军事和民用领域的应用方向。

固体中红外激光主要采用OPO-ZGP、直接泵浦Fe:ZnSe激光器和量子级联激光器三类方案。在光参量振荡方向，由于可利用目前成熟的1～2μm激光作为泵浦源，可以将波长较短的泵浦光转化为长波输出，配合ZGP的角度调谐，其可获得很宽的输出光谱。2001年，相干公司Wayne等人首次报道了一台基于1.94μm Tm:YALO泵浦源的Cr:ZnSe激光器，其输出波长调谐范围为2200～2700 nm。在ZGP晶体一类相位匹配下，采用2.35μm泵浦获得了82mW、180ns、波长为4.7μm的激光输出；在二类相位匹配下，采用2.55μm泵浦，实现了100mW、180ns、4.7μm的激光输出。2020年，哈尔滨工业大学[17]已经实现了OPO-ZGP百瓦量级脉冲激光输出，采用ZGP-SRO结构的激光器，实现了103W、光束质量M2=6.8的激光输出，闲频光波长为3.84μm，信号光波长为4.59μm。采用ZGP-MOPA结构，获得了102W、20.9ns、10kHz的脉冲激光输出，光束质量达到了2.8，信号光和闲频光波长分别为3.92μm和4.57μm。ZGP晶体的热管是亟待解决的关键问题，若进一步改进ZGP的热管理，其在3～5μm波段具有一定的放大能力，有望实现千瓦级激光装置，可被装备于灵活、快速响应的机载作战平台上。

1989年，美国海军实验室[18]J. Y. Allain等人研制了世界上第一台Er3+ZBLAN光纤激光器，该基质的声子仅为565cm-1。此后，基于高浓度Er(2.94μm)掺杂的固体激光泵浦源成为了热点研究方向。随着基于Er的ZBLAN技术的发展，2.94μm的泵浦源获得了百瓦级以上的大功率单纤输出能力。同时，利用光纤耦合、合束技术，可进一步实现功率的提升，这为Fe：ZnSe中红外连续激光器的发展奠定了坚实的技术基础。2013年，俄罗斯采用Er掺杂块状晶体作为大能量脉冲泵浦源，实现了低温下2J，4.3μm的激光输出，通过实验论证了Fe:ZnSe在低温大能量脉冲方向具有重要的潜力，能够在10km范围内对导弹目标进行致盲和毁伤。目前，Fe：ZnSe中红外激光技术的难点在于高质量的晶体制备工艺复杂，无法实现大尺寸晶体的制备，同时量子亏损较大，造成对热管理技术的要求比较高。由于Fe:ZnSe在低温下的良好出光特性[19]，其更加适用于空基实验环境，易于实现低温泵浦，产生中红外激光光源，是未来中红外激光发展的重要方向之一。

量子级联激光光源具有体积小、质量小的优势，适用于装备在未来小型化无人攻击机、重型无人机上，构成机动、灵活、快速的红外光电对抗系统[20-21]。由于现代化战场形势的进一步变化，无人察、打一体攻击机也逐渐取得进一步发展。探测距离为1～5km、功率高于20W的小型化多波段中红外固体激光系统，目标载具为第六代战机或重型战斗机，或采用调Q大能量ns多波长量子级联激光系统[22]，目标载具为无人攻击机系统。如果量子级联激光器能够突破单管数十瓦，依靠其体积小、质量小的优势，其将有望颠覆整个无人机攻击和空间光电对抗系统的模式。

目前碟片技术[23-29]的ps和ns激光较为成熟，已经实现了千瓦级平均功率的输出，光光转换效率高，结构稳定，通过频率转化技术可以将近红外转变为中红外，使其成为对抗系统。相较于连续激光，大能量脉冲纳秒和毫秒激光的毁伤也被进行了很深入的研究。例如，利用组合脉冲可实现单晶硅、航空金属材质的表面破坏和毁伤。相较于传统导弹防御系统，激光武器是唯一可实现对数十马赫的高超音速武器干扰、毁伤的方法。同时，采用超短脉冲中红外激光能够产生干扰导引头的[30]、增强有生力量的生存能力。因此，开发脉冲激光武器具有重要的军事应用价值，能够进一步提升国家的本土防御能力。

图12 第六代战机假想图Fig.12 Scenario of the sixth generation fighter

2020年9月，美国空军罗铂博士在“虚拟空天网络会议”上宣称，美国已经实现第六代原型机的试飞工作，同时宣称该战机技术领先现役F-22猛禽战机，并为此规划第六代战机的服役时间为2030年前后。可以预见，第六代战机必然采用先进的激光技术替代传统弹药，实现空间的快速对抗与攻防，并且达到超机动性要求。为了达到中远程目标的攻击，甚至有可能装备数万瓦固体激光攻击系统。同时，随着光电攻防多样化手段和方法的不断涌现，还可能配备多光谱、高能量的脉冲或连续光电对抗系统。因此，我国未来要加紧研制相关光电对抗系统，用以配合第六代战机的实用化和工程化，缩短与美国战机的技术代差。

目前，中红外固体激光器的发展仍然面临热管理和2μm附近泵浦源等关键问题。而未来战场需要不断扩大作战半径，对激光功率的要求将会跨过百瓦量级，同时需要具备3个大气可传输窗口。随着攻防对抗多样性和普适性需求，多波段可调谐激光输出必将是重要的研究方向。另外，为了节省能耗，需增加机载平台的滞空时间，基于固体的毫秒、纳秒和准连续激光器的研制也是未来研究的重点方向。

根据目前中红外激光的性能及自身优势，针对不同作战目标和作战场景，部署不同类型的激光器用于实战装备(例如化学激光能够实现兆瓦级的激光输出，可以部署在陆基、海基上)，以应对4000～5000km外弹道导弹和地球同步卫星的威胁；低温Fe:ZnSe激光器适应天基中外太空的工作环境，可实现数百兆焦的脉冲激光输出，能够干扰距离1～50km的探测器；固体掺杂中红外激光器应用OPO-ZGP技术，可实现3波段(1～3μm，3～5μm，8～12μm)的多光谱激光输出，更加适合机动、灵活、多变的指控权对抗的机载平台，可实现1～20km远距离光电对抗需求。

4 结 论

本文主要结合中红外激光在光电对抗领域的应用和目前国外的发展情况，介绍了中红外(3～5μm)波段激光光源的分类和基本工作原理，分析了中红外光源发展面临的问题。虽然可以实现多波长、大能量的激光输出，但是每一种光源都或多或少存在一定的缺陷和技术难点。

目前，化学激光光源仍然是重要的战略技术方案，其工作研究重点应放在设备轻量化和尾气处理装置小型化方面。将其质量减小至50t以内，即可搭载于小型民航空客A330航空飞机上，执行战略打击。二氧化碳激光光源需要进行光路折叠和电路优化设计，在总质量控制在5t以内时，可搭载陆基卡车机动平台。固体激光器为主要告警系统光源，基于OPO-ZGP技术路线的百瓦级多光谱光源将会是未来的发展方向之一，可搭载于战斗机和大型无人机平台上。另外，随着半导体技术和材料的不断迭代，量子级联激光器通过合束和耦合后，功率可以达到20W以上，质量可控制在5kg以内，探测距离为2～5km，可搭载于小型无人机系统内。空基平台未来若突破固体小型化泵源技术(2.94μm)，采用低温Fe:ZnSe技术直接输出方式工作的中红外对抗系统将是未来实现千、万瓦级输出的重要技术手段。而随着超快激光技术的进一步发展，基于碟片技术的百千瓦中红外ns、ps光源也可被应用于新型光电对抗系统中，实现防御和毁伤目标。目前针对中红外系统，还需要提升2μm附近泵浦源的功率，相关增益介质、非线性晶体的质量和ZGP的热管理技术。未来的战争更加需要集成、高效、机动、快速、多变的对抗策略而光电对抗直接针对侦察探测系统、导航系统，是最前端的防御策略。随着中红外激光体系的不断发展和激光性能的不断提升，中红外激光将为光电防御装备注入新的力量，提升战场生存能力，因此针对中红外激光新技术和新方法的研究将受到广泛的关注。