科创中国

3-5μm波段的中红外相干辐射位于大气透过率较高的理想传输窗口，在大气遥感、激光雷达、空间光通信等领域具有十分重要的应用价值。该波段覆盖了含硫化合物、碳氧化物、含氮化合物等大气主要污染物，以及很多生物分子的特征吸收峰，因此在大气监测和光谱分析等方面也存在广泛的应用。由于生物组织80%以上由水构成，而水在3μm附近具有强烈的吸收，所以该波段相干辐射还被广泛用于激光医学诊断及治疗。此外，飞机和导弹尾焰对应的黑体辐射主要位于该波段，使得3~5μm波段中红外激光光源成为定向红外对抗这一军事领域的不二之选，展现出令人瞩目的发展前景。

    以定向红外对抗为例，美国空军宣称，过去25年里90%的美国空战伤亡都归咎于红外制导导弹。定向红外对抗系统在探测发现并锁定目标并后，可发射干扰激光束照射导弹导引头，使导弹脱靶、致盲或烧毁导引头。美国政府问责署2017年5月曾透露，陆军预计通用红外对抗项目的研发费用为7.774亿美元，采购费用为18亿美元。美军的各类军用直升机上都已装备ALQ-144/157系列定向红外对抗系统，“空军一号”专机上也配备ALQ-204系列定向红外对抗系统。俄罗斯的机载定向红外对抗系统除了用于武装直升机和苏-25攻击机外，苏-57隐身战斗机也把该设备作为标配。

    我国在这方面的普及程度还远远落后于欧美、俄罗斯。从公开信息来看，新近服役的运-20、直-10、歼-20上都缺乏此类设备，在遭遇敌方红外制导导弹攻击时唯一的对抗手段就是发射干扰弹。为了提高战机的生存能力，甚至领导专机的安全性能，必须大力发展定向红外对抗系统。 

    因为机载及作战要求，目前能用于定向红外对抗系统的中红外激光器只有光学参量振荡器及量子级联激光器，但前者光路结构比较复杂，总的电光转换效率较低（5%-10%），对器件散热设计要求很高，且增加了器件的体积及重量；而后者的外延结构异常复杂，电光转换效率室温下也还没有突破27%，其光束质量很差，调谐范围非常有限。

    光泵浦垂直外腔面发射激光器（VECSEL）综合了面发射激光器和固体薄片激光器的优点，能同时获得高功率和高光束质量，以及大的波长调谐范围。本项目通过特殊的量子设计，使VECSEL增益曲线平坦化，获得较好的宽带调谐性能。然后利用两路近红外VECSEL，合束后通过一块多周期的周期极化非线性晶体进行腔内差频，即可获得中红外激光输出。VECSEL1激光波长在850-900nm范围可调，VECSEL2激光波长在1100-1180nm范围可调，差频所得中红外激光波长即可在3-5μm全波段范围实现连续调谐。

    与现有的中红外激光器相比，基于VECSEL差频的中红外激光器具有如下优点：

    结构简单紧凑，体积小，重量轻，机械性能稳定；

    芯片所用GaAs系列材料成熟，外延生长工艺也比较成熟；

    芯片无需掺杂，无欧姆接触，工艺简化，稳定性及可靠性增强；

    VECSEL量子亏损小，光光转换效率较高；

    散热性能好，输出功率大，光束质量优良，波长在3-5μm全波段可调谐。

    所用808及976nm LD泵浦源商业化程度高，成本低廉，质量可靠。

    这种构紧凑小型化、机械性能稳定、输出功率高、光束质量好、3-5μm全波段可调谐的中红外激光器，非常适合车载和机载，且成本相对低廉，将在定向红外对抗这样的国防军事关键领域，以及红外遥感、激光雷达、痕量气体分析、激光空间通信和激光诊断治疗等诸多重要方面发挥广泛的应用。