楊俊彥，公發(fā)全，劉 銳，李 剛

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109； 2.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 化學(xué)激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·大連·116023)

0 引 言

激光具有傳輸性能優(yōu)異、指向性好等特點(diǎn)。在激光誕生初期,人們就開(kāi)始思考其軍事應(yīng)用價(jià)值。激光在應(yīng)用于光電對(duì)抗、作為告警或者干擾機(jī)時(shí)，一般需要在大氣內(nèi)傳輸[1]，但不同波長(zhǎng)的光在大氣傳輸過(guò)程中存在很?chē)?yán)重的吸收效應(yīng)。地球表面的湍流大氣是一種典型的相對(duì)較弱的非均勻介質(zhì)。當(dāng)激光光束通過(guò)湍流大氣時(shí),大氣湍流的影響會(huì)導(dǎo)致激光光束呈現(xiàn)發(fā)散、畸變、閃爍等，其中主要的影響是由空氣中水汽、CO、CO2氣體對(duì)特定波長(zhǎng)激光的強(qiáng)吸收所產(chǎn)生的。如圖1紅外波段大氣透射光譜所示，在大氣中存在3個(gè)“窗口”波段，分別為1～3μm，3～5μm，8～14μm。其中在3～5μm波段，存在多條與現(xiàn)有激光增益介質(zhì)具有相同發(fā)射譜線或調(diào)制后可達(dá)到的光譜譜線，在光電對(duì)抗領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。早在1997年10月[2]，美國(guó)陸軍首次采用中紅外波段化學(xué)激光器，在美國(guó)新墨西哥州的白楊導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)一枚近軌道失控的間諜衛(wèi)星進(jìn)行了摧毀。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用中紅外波段化學(xué)激光遠(yuǎn)距離傳輸激光對(duì)抗系統(tǒng)方案的可行性，但該實(shí)驗(yàn)也造成了大量的太空垃圾，增加的太空垃圾給他國(guó)航天器帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)。為避免國(guó)際輿論糾紛，鑒于中紅外軟殺傷激光系統(tǒng)獲得了迅猛的發(fā)展，通常采用低功率中紅外激光在透過(guò)大氣層后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輻照，其主要原理是基于輻照硅光電池或探測(cè)器靶面硅基底，使得其傳輸圖像、通信能力或探測(cè)能力下降。利用激光干擾和軟殺傷星載、機(jī)載和艦載攝像機(jī)的紅外光電器件，取代毀傷和硬破壞，具有更好的隱蔽性。

圖1 紅外波段大氣透射光譜[3] Fig.1 Atmospheric transmission spectrum in infrared band[3]

目前，中紅外激光對(duì)抗系統(tǒng)通常集成了告警、跟蹤、瞄準(zhǔn)、干擾和毀傷于一體的復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)于目前探測(cè)和干擾第四代基于3～5μm的中紅外凝視成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用前景。根據(jù)使用環(huán)境不同，對(duì)抗系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車(chē)載、艦載、機(jī)載和天基平臺(tái)，因此發(fā)展中紅外激光光電對(duì)抗系統(tǒng)具有重要的戰(zhàn)略意義和實(shí)用價(jià)值。

1 中紅外激光光電在對(duì)抗中的應(yīng)用

由于中紅外激光器是光電對(duì)抗系統(tǒng)中的重要組成部分，通常應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的激光器一般但不限于由化學(xué)、氣體和固體激光器組成。由于激光武器具有“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的優(yōu)勢(shì)，其在軍事上具有重大的應(yīng)用價(jià)值。另外，由于3～5μm中紅外波段是重要的大氣窗口之一，應(yīng)用中紅外波段的告警、干擾和毀傷激光對(duì)抗系統(tǒng)已成為各個(gè)國(guó)家爭(zhēng)相研制的重點(diǎn)。

圖2 激光武器系統(tǒng)組成[4] Fig.2 Composition of laser weaponsystem[4]

目前，以美國(guó)為代表的激光光電對(duì)抗系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了軍事化和商用化，其中由諾斯羅普·格魯曼公司[5]開(kāi)發(fā)的復(fù)仇女神對(duì)抗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的探測(cè)距離已達(dá)到10km，跟蹤精度已達(dá)到0.05°。該系統(tǒng)光源采用DPL泵浦光參量振蕩器(OPO)實(shí)現(xiàn)3波段激光輸出，分別是A波段1～3μm，3W；B波段3～5μm，2W；C波段8～12μm，5W。光源質(zhì)量?jī)H有4.15kg。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)使4枚從3～4.7km外發(fā)射的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈偏離靶點(diǎn)超150m，目前已經(jīng)裝備美軍使用。另一款由美國(guó)BAE公司研發(fā)的紅外對(duì)抗系統(tǒng)，采用ZGP-OPO方式，可產(chǎn)生雙波段中紅外激光器。該泵浦源采用Tm:Ho:YLF共摻雜激光器作為泵浦源，可產(chǎn)生3個(gè)波段激光輸出，分別是A波段1～3μm，5W；B波段3～5μm，0.5W；C波段8～12μm，5W。系統(tǒng)質(zhì)量為13kg，激光器的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了7%。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于通過(guò)突破單光子衰減的固體激光技術(shù)(倍增泵浦光子)，提升了泵浦源的效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)插電效率的提升，該裝備已裝備在美軍阿帕奇和黑鷹直升機(jī)上，已展開(kāi)實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用。

圖3 阿帕奇AH-64D攻擊直升機(jī)尾翼末端的 定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)Fig.3 Directional infrared countermeasure system of Apache AH-64D attacking helicopter tail end

在高功率連續(xù)方面，美軍主要采用了大功率MW級(jí)化學(xué)激光器。2008年，美國(guó)空軍將一臺(tái)DF化學(xué)激光器裝載于一架波音747機(jī)載平臺(tái)上，并進(jìn)行了空中實(shí)驗(yàn)。根據(jù)波音747載重量推算，該激光系統(tǒng)質(zhì)量在130～150t之間，其可產(chǎn)生3.7～4.3μm的波長(zhǎng)。目前通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，美國(guó)正在研制的基于光纖技術(shù)的對(duì)抗裝置主要是連續(xù)大功率輸出方向。例如，2017年美國(guó)圣劍項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了7個(gè)緊湊型光纖激光器的光學(xué)相控陣組合，實(shí)現(xiàn)了7km目標(biāo)距離的精確毀傷，該系統(tǒng)完美地解決了大氣湍流擾動(dòng)情況，系統(tǒng)性能達(dá)到美國(guó)陸軍裝備需求。隨后，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了閃電項(xiàng)目，目標(biāo)研制功率大于300kW，具有30發(fā)發(fā)射能力，質(zhì)量功率比為2kg/kW，耗能不超過(guò)100kW/m2，用于飛機(jī)自衛(wèi)和中程彈道導(dǎo)彈防御計(jì)劃。

圖4 美國(guó)空軍機(jī)載化學(xué)激光武器平臺(tái)KF135-AFig.4 US Air Force airborne chemical laser weapon platform KF135-A

2011年，美國(guó)海軍成功進(jìn)行了10kW-Mk38-TLS激光防御系統(tǒng)演示，其主要作戰(zhàn)目標(biāo)為水面小型船只、海面艦船和空中小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)研判該系統(tǒng)，可通過(guò)OPO技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)中紅外波段千瓦級(jí)的發(fā)射需求，但后續(xù)實(shí)用化報(bào)道并未發(fā)表。目前，中紅外光纖光源還沒(méi)有突破4μm以上的波段輸出，最長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)為3.95μm，主要原因在于缺乏高性能、低聲子能量、低損耗的中紅外玻璃，以及高質(zhì)量、高功率近紅外泵浦源。另一個(gè)限制中紅外波段激光輸出功率提升的因素為某些稀土離子固有的能級(jí)結(jié)構(gòu)，這類(lèi)能級(jí)結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致離子間產(chǎn)生強(qiáng)烈的交叉弛豫，離子中激光下能級(jí)壽命過(guò)長(zhǎng)而激光上能級(jí)壽命過(guò)短，對(duì)激光產(chǎn)生不利因素。

圖5 美國(guó)商用UAE - AN/AAQ 24(V)紅外對(duì)抗系統(tǒng)Fig.5 US commercial UAE-AN/ AAQ 24 (V) infrared countermeasure system

2015年，美國(guó)將商用UAE - AN/AAQ 24(V)紅外對(duì)抗系統(tǒng)出售給阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)，主要用于元首乘坐的飛機(jī)的防御，消除日益增長(zhǎng)的紅外制導(dǎo)威脅，但具體參數(shù)沒(méi)有公布。美國(guó)雷聲公司的方案使用了AIM-9X“響尾蛇”空空導(dǎo)彈的目標(biāo)指示器，并且整合了“量子級(jí)聯(lián)激光器”模塊，這是美國(guó)首次對(duì)實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用QCL激光器的報(bào)道。另外，美國(guó)BAE系統(tǒng)公司與諾斯羅普·格魯曼公司正在進(jìn)行合作研發(fā)，主要針對(duì)單兵便攜式防空系統(tǒng)進(jìn)行防御，整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量小于38.6kg。

俄羅斯主要采用的技術(shù)路線為OPO和OPA固體激光技術(shù)，采用Er：YAG作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了Fe:ZnSe的低溫泵浦實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)在2.94μm、4.3μm和4.8μm波段實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量大于1J的激光驗(yàn)證試驗(yàn)[6]，系統(tǒng)已經(jīng)滿足了實(shí)戰(zhàn)要求。尤其在以HF泵浦為泵浦源的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校晒?shí)現(xiàn)了焦耳級(jí)輸出低溫Fe:ZnSe激光器，完全具備軍事應(yīng)用能力。

2 中紅外(3～5μm)激光光源及分類(lèi)

在中紅外光電對(duì)抗系統(tǒng)中，發(fā)射譜線在3～5μm的激光光源是其重要的關(guān)鍵核心技術(shù)。典型的中紅外化學(xué)激光器的波段輸出激光波長(zhǎng)為：3.7～4.2μm(DF)、3.5～4.2μm(HCl)和4～4.6μm(HBr)；氣體激光器主要為倍頻工作的CO2激光器，可產(chǎn)生雙波長(zhǎng)4.7μm和9.4μm的激光輸出；在固體激光方面，主要有可產(chǎn)生4.3μm波段的Fe:ZnSe、3～12μm波段的(OPO-ZGP)、1.8～4.5μm的ZBLAN光纖激光，以及3～5μm的量子級(jí)聯(lián)激光器。下面介紹一下幾種典型的能夠應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的激光器的光源和分類(lèi)情況。

圖6 化學(xué)激光器出光示意圖Fig.6 Light output diagram of chemical laser

化學(xué)激光器：1964年，美國(guó)G·C·皮門(mén)塔爾等人首先實(shí)現(xiàn)了碘和氯化氫化學(xué)激光，在1967年首次實(shí)現(xiàn)了脈沖HF激光振蕩驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，隨即開(kāi)啟了化學(xué)能轉(zhuǎn)化光能的大門(mén)。以HCl化學(xué)激光器為例[7]，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程為

Cl2+H2-→HCl+H

H+Cl2→HF(υ-1)+Cl

盡管第一階段反應(yīng)很慢，并不產(chǎn)生氯化氫分子的振蕩激發(fā)，但其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能的機(jī)理為后續(xù)其他物質(zhì)的激光器研究奠定了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通常而言，化學(xué)激光器采用化學(xué)反應(yīng)、電激勵(lì)或燃燒驅(qū)動(dòng)激勵(lì)的方式工作，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能[8]。由于增益介質(zhì)(HF、DF、HCl)[9]采用氣體形式，獲得的激光可以獲得極好的均勻性和優(yōu)異的光束質(zhì)量，同時(shí)可獲得數(shù)十千瓦的連續(xù)激光輸出，是目前有資料報(bào)道的唯一實(shí)現(xiàn)兆瓦出光的激光器?；瘜W(xué)激光器的缺點(diǎn)同樣緣于其氣體工作介質(zhì)需要很大的體積，采用的增益介質(zhì)氣體具有很大的腐蝕性和毒性。

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

氣體激光器：1964年，首次實(shí)現(xiàn)CO2激光器出光，并獲得了波長(zhǎng)為10.6μm的激光輸出。以射頻二氧化碳激光器為例，其工作原理[10]主要是利用二氧化碳分子的三種振動(dòng)方式，即變形、對(duì)稱，以及反對(duì)稱振動(dòng)態(tài)。其中，從0002-1000躍遷產(chǎn)生10.6μm波段，從1001-1000和0201-0200躍遷產(chǎn)生4.3μm波段[11]。目前，該激光器通常采用橫向激勵(lì)高氣壓二氧化碳和射頻二氧化碳激光器。兩種工作方式的主要差異在于體積質(zhì)量比。該氣體激光器可獲得高功率激光輸出，電光轉(zhuǎn)化效率大于30%，倍頻后可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4.7μm和9.4μm雙波段基模輸出。由于采用了電激勵(lì)泵浦方式，該氣體激光器可實(shí)現(xiàn)大能量焦耳量級(jí)脈沖激光器，在光電對(duì)抗中具有重要的應(yīng)用前景。

固體激光器：1960年7月7日，美國(guó)科學(xué)家梅曼首次利用紅寶石作為增益介質(zhì)[12]，采用閃光燈泵浦的方式實(shí)現(xiàn)了世界上第一臺(tái)激光器。其基本工作原理為將紅寶石晶體(Al2O3，其晶體內(nèi)摻有約0.05%的Cr2O3)，利用燈泵浦的方式將鉻離子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，通過(guò)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)后，再回到激發(fā)態(tài)釋放光子，光子通過(guò)諧振腔腔鏡放大后輸出。

圖8 Er3+光纖激光器[12] Fig.8 Er3+ fiber laser[12]

固體激光一般采用塊狀或光纖狀基底(晶體、玻璃或陶瓷)，摻雜的增益介質(zhì)為Er、Tm、Ho等稀土元素，利用不同的摻雜離子獲得不同的波長(zhǎng)激光輸出，同時(shí)結(jié)合ZGP-OPO結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外激光輸出。另外,在直接輸出中紅外固體激光方向中，F(xiàn)e:ZnSe增益介質(zhì)可直接輸出4～5μm波段激光，但是它的輸出能力受限于3μm附近的泵浦源的輸出功率。因此在應(yīng)用上，大能量方向一般結(jié)合放電非鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的化學(xué)激光器HF(2.6～3.1μm)為泵浦源，實(shí)現(xiàn)大能量激光脈沖，但是該裝置的體積/功率比較大。

圖9 量子級(jí)聯(lián)激光器Fig.9 Quantum cascade laser

與此同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新型量子級(jí)聯(lián)激光器應(yīng)運(yùn)而生，其主要基于電子在量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理制作而成相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，該激光器只有電子參與，波長(zhǎng)的選擇可以通過(guò)勢(shì)阱和勢(shì)壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。1994年，第一只量子級(jí)聯(lián)激光器在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，這被視為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一次革命。其發(fā)射譜段涵蓋3～5μm，能夠滿足集成化和小型化使用要求。由于其具有直接電-光轉(zhuǎn)換特性，因此具有體積小、質(zhì)量小和效率高等特點(diǎn)。雖然在3～5μm波段其量子阱深度有限，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率較低，但其優(yōu)異的功率/體積比使得其有希望裝備于小型化無(wú)人機(jī)上。目前采用量子阱外延生長(zhǎng)技術(shù)，基于磷化銦的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用F-P腔型，能夠?qū)崿F(xiàn)單管1W的中紅外激光輸出。通過(guò)合束技術(shù)[13]，可實(shí)現(xiàn)10W以上的激光輸出，目前可滿足短距離光電對(duì)抗需求。2020年8月，中國(guó)電子技術(shù)集團(tuán)公司實(shí)驗(yàn)室(天津)在系統(tǒng)整體質(zhì)量不超過(guò)1kg的前提下，實(shí)現(xiàn)了3.6W的激光輸出，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角達(dá)到了5mrad，是目前國(guó)內(nèi)公開(kāi)報(bào)道的最高的輸出功率水平。未來(lái)其發(fā)展方向主要是提高室溫下的功率、波長(zhǎng)調(diào)制、提高連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)工作模式下的穩(wěn)定性等。

圖10 ZGP光參量振蕩器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[14] Fig.10 Schematic diagram of ZGP optical parametric oscillator[14]

近年來(lái)，光參量調(diào)諧技術(shù)(OPO)得到迅猛發(fā)展，是固體激光器產(chǎn)生中紅外激光的重要手段。目前，一般工程上使用的典型非線性晶體為ZGP，該晶體具有優(yōu)異的中紅外波段透過(guò)特性，在2～12μm波段具有優(yōu)異的光譜性能，同時(shí)具備良好的非線性系數(shù)和導(dǎo)熱性能。另外，近年來(lái)隨著對(duì)激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理研究的進(jìn)一步深入，基于超短脈沖的中紅外激光器逐漸成為新的發(fā)展方向。在激光與物質(zhì)相互作用中，長(zhǎng)脈沖(μm)或準(zhǔn)連續(xù)斬波激光主要通過(guò)液相流動(dòng)及氣相變化引起質(zhì)量遷移，進(jìn)而使得靶點(diǎn)表面形貌發(fā)生變化。短脈沖作用機(jī)理主要是通過(guò)光致、雪崩電離和韌致輻射等過(guò)程對(duì)靶材產(chǎn)生破壞。大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相較于連續(xù)激光器，超短脈沖激光器具有熱擴(kuò)散區(qū)域小、峰值功率高、易于實(shí)現(xiàn)有效局域破壞、耗能低等特點(diǎn)，中紅外納秒和皮秒激光在光電對(duì)抗領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。

從以上介紹的三類(lèi)典型中紅外激光光源可以看出，在大功率連續(xù)激光方面，主要以化學(xué)激光為主，氣體激光和固體激光在連續(xù)和脈沖方向上也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。固體中紅外激光由于具有良好的功率/體積比和插電出光特性，非常適合在光電對(duì)抗領(lǐng)域[15]應(yīng)用，并適用于機(jī)載、天基平臺(tái)，在配合吊艙和發(fā)射系統(tǒng)使用時(shí)，是實(shí)現(xiàn)光電對(duì)抗的理想光源。如果能夠進(jìn)一步克服相關(guān)材料的制備、熱管理技術(shù)和發(fā)射技術(shù)，該光電對(duì)抗系統(tǒng)的應(yīng)用距離將獲得進(jìn)一步提升。

3 中紅外(3～5μm)激光發(fā)展趨勢(shì)

中紅外激光光電對(duì)抗的殺傷方式，共分為兩種，一種是帶內(nèi)損傷，也可稱之為軟殺傷，另一種為帶外損傷。光電對(duì)抗主要采用帶內(nèi)損傷機(jī)制進(jìn)行工作，利用激光的熱輻射毀傷、致盲、致炫硅光探測(cè)器，使對(duì)方失去探測(cè)能力或攻擊能力。偽裝干擾系統(tǒng)利用了激光良好的單色性和高亮性，通過(guò)高功率輻射形成人造熱輻射源，使敵方識(shí)別系統(tǒng)發(fā)生誤判，從而喪失或迷惑紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)的預(yù)判，使其失去攻擊性能或誘騙其攻擊虛假目標(biāo)。

圖11 高超聲速導(dǎo)彈Fig.11 Hypersonic missiles

未來(lái)，隨著高超聲速5～30馬赫精確制導(dǎo)武器的涌現(xiàn)，常規(guī)作戰(zhàn)或防御武器已無(wú)法實(shí)現(xiàn)攔截、跟蹤、告警等任務(wù)，只有激光武器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以上任務(wù)。同時(shí)，隨著第六代戰(zhàn)機(jī)的研制，及其提出的無(wú)人駕駛、高超聲速和超機(jī)動(dòng)性的要求，機(jī)載激光告警系統(tǒng)對(duì)體積/功率比的要求將會(huì)更加嚴(yán)格。因此，下一代機(jī)載(戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī))光電對(duì)抗系統(tǒng)，將會(huì)繼續(xù)采用固體或固氣混合模式工作的激光系統(tǒng)，同時(shí)配合跟瞄系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)多環(huán)節(jié)的配合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)對(duì)抗和防御目的。

化學(xué)激光器已可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行MW激光輸出，但其附屬設(shè)備較為復(fù)雜，適用于陸基、海基工作平臺(tái)。今后其研究重點(diǎn)方向主要是輕量化、小型化，力爭(zhēng)于車(chē)載或機(jī)載平臺(tái)上使用。例如，2008年美國(guó)將該實(shí)驗(yàn)裝置置于波音飛機(jī)上，并開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但后續(xù)沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。在輕量化方面，可將實(shí)驗(yàn)內(nèi)固定裝置的部件進(jìn)行塑料化或采用強(qiáng)度相當(dāng)?shù)|(zhì)量小的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)替代，并設(shè)置合理模塊分離拋棄裝置，進(jìn)一步提升化學(xué)激光器的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。因此，化學(xué)激光器如果解決了輕量化和小型化問(wèn)題，其將具有更加廣泛的軍事應(yīng)用前景。

氣體激光主要以激光為代表，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)連續(xù)MW量級(jí)峰值功率脈沖輸出，脈沖寬度為數(shù)十毫秒，重復(fù)頻率為1Hz，總質(zhì)量約為10～15kg，早期主要應(yīng)用于1984年生產(chǎn)的M1型主戰(zhàn)坦克測(cè)距系統(tǒng)中，后期通過(guò)利用倍頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出。典型的中紅外氣體激光器為CO2倍頻、可產(chǎn)生3～5μm激光輸出的中紅外輸出激光器。常用的大尺寸倍頻晶體為AgGaSe2，該晶體在中紅外波段透過(guò)率高，并且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可燒制大尺寸大口徑，利于大能量或高功率中紅外激光輸出。在直接輸出4.3μm波段中，2019年[16]，國(guó)防科技大學(xué)首次在世界上實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)非摻雜二氧化碳?xì)怏w空心光纖激光器，獲得了82mW、4.3μm的連續(xù)激光輸出。目前，隨著氟化物光纖和空心光纖工藝的進(jìn)一步發(fā)展，二氧化碳激光器正朝著LD泵浦充氣光纖化、小型化方向發(fā)展，從而避免了由二氧化碳激光器體積過(guò)大帶來(lái)的應(yīng)用困難，進(jìn)一步拓寬了其在工業(yè)、軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方向。

固體中紅外激光主要采用OPO-ZGP、直接泵浦Fe:ZnSe激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器三類(lèi)方案。在光參量振蕩方向，由于可利用目前成熟的1～2μm激光作為泵浦源，可以將波長(zhǎng)較短的泵浦光轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)波輸出，配合ZGP的角度調(diào)諧，其可獲得很寬的輸出光譜。2001年，相干公司W(wǎng)ayne等人首次報(bào)道了一臺(tái)基于1.94μm Tm:YALO泵浦源的Cr:ZnSe激光器，其輸出波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為2200～2700 nm。在ZGP晶體一類(lèi)相位匹配下，采用2.35μm泵浦獲得了82mW、180ns、波長(zhǎng)為4.7μm的激光輸出；在二類(lèi)相位匹配下，采用2.55μm泵浦，實(shí)現(xiàn)了100mW、180ns、4.7μm的激光輸出。2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[17]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OPO-ZGP百瓦量級(jí)脈沖激光輸出，采用ZGP-SRO結(jié)構(gòu)的激光器，實(shí)現(xiàn)了103W、光束質(zhì)量M2=6.8的激光輸出，閑頻光波長(zhǎng)為3.84μm，信號(hào)光波長(zhǎng)為4.59μm。采用ZGP-MOPA結(jié)構(gòu)，獲得了102W、20.9ns、10kHz的脈沖激光輸出，光束質(zhì)量達(dá)到了2.8，信號(hào)光和閑頻光波長(zhǎng)分別為3.92μm和4.57μm。ZGP晶體的熱管是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，若進(jìn)一步改進(jìn)ZGP的熱管理，其在3～5μm波段具有一定的放大能力，有望實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)激光裝置，可被裝備于靈活、快速響應(yīng)的機(jī)載作戰(zhàn)平臺(tái)上。

1989年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室[18]J. Y. Allain等人研制了世界上第一臺(tái)Er3+ZBLAN光纖激光器，該基質(zhì)的聲子僅為565cm-1。此后，基于高濃度Er(2.94μm)摻雜的固體激光泵浦源成為了熱點(diǎn)研究方向。隨著基于Er的ZBLAN技術(shù)的發(fā)展，2.94μm的泵浦源獲得了百瓦級(jí)以上的大功率單纖輸出能力。同時(shí)，利用光纖耦合、合束技術(shù)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功率的提升，這為Fe：ZnSe中紅外連續(xù)激光器的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。2013年，俄羅斯采用Er摻雜塊狀晶體作為大能量脈沖泵浦源，實(shí)現(xiàn)了低溫下2J，4.3μm的激光輸出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了Fe:ZnSe在低溫大能量脈沖方向具有重要的潛力，能夠在10km范圍內(nèi)對(duì)導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)行致盲和毀傷。目前，F(xiàn)e：ZnSe中紅外激光技術(shù)的難點(diǎn)在于高質(zhì)量的晶體制備工藝復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺寸晶體的制備，同時(shí)量子虧損較大，造成對(duì)熱管理技術(shù)的要求比較高。由于Fe:ZnSe在低溫下的良好出光特性[19]，其更加適用于空基實(shí)驗(yàn)環(huán)境，易于實(shí)現(xiàn)低溫泵浦，產(chǎn)生中紅外激光光源，是未來(lái)中紅外激光發(fā)展的重要方向之一。

量子級(jí)聯(lián)激光光源具有體積小、質(zhì)量小的優(yōu)勢(shì)，適用于裝備在未來(lái)小型化無(wú)人攻擊機(jī)、重型無(wú)人機(jī)上，構(gòu)成機(jī)動(dòng)、靈活、快速的紅外光電對(duì)抗系統(tǒng)[20-21]。由于現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的進(jìn)一步變化，無(wú)人察、打一體攻擊機(jī)也逐漸取得進(jìn)一步發(fā)展。探測(cè)距離為1～5km、功率高于20W的小型化多波段中紅外固體激光系統(tǒng)，目標(biāo)載具為第六代戰(zhàn)機(jī)或重型戰(zhàn)斗機(jī)，或采用調(diào)Q大能量ns多波長(zhǎng)量子級(jí)聯(lián)激光系統(tǒng)[22]，目標(biāo)載具為無(wú)人攻擊機(jī)系統(tǒng)。如果量子級(jí)聯(lián)激光器能夠突破單管數(shù)十瓦，依靠其體積小、質(zhì)量小的優(yōu)勢(shì)，其將有望顛覆整個(gè)無(wú)人機(jī)攻擊和空間光電對(duì)抗系統(tǒng)的模式。

目前碟片技術(shù)[23-29]的ps和ns激光較為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)平均功率的輸出，光光轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通過(guò)頻率轉(zhuǎn)化技術(shù)可以將近紅外轉(zhuǎn)變?yōu)橹屑t外，使其成為對(duì)抗系統(tǒng)。相較于連續(xù)激光，大能量脈沖納秒和毫秒激光的毀傷也被進(jìn)行了很深入的研究。例如，利用組合脈沖可實(shí)現(xiàn)單晶硅、航空金屬材質(zhì)的表面破壞和毀傷。相較于傳統(tǒng)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，激光武器是唯一可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十馬赫的高超音速武器干擾、毀傷的方法。同時(shí)，采用超短脈沖中紅外激光能夠產(chǎn)生干擾導(dǎo)引頭的[30]、增強(qiáng)有生力量的生存能力。因此，開(kāi)發(fā)脈沖激光武器具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，能夠進(jìn)一步提升國(guó)家的本土防御能力。

圖12 第六代戰(zhàn)機(jī)假想圖Fig.12 Scenario of the sixth generation fighter

2020年9月，美國(guó)空軍羅鉑博士在“虛擬空天網(wǎng)絡(luò)會(huì)議”上宣稱，美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)第六代原型機(jī)的試飛工作，同時(shí)宣稱該戰(zhàn)機(jī)技術(shù)領(lǐng)先現(xiàn)役F-22猛禽戰(zhàn)機(jī)，并為此規(guī)劃第六代戰(zhàn)機(jī)的服役時(shí)間為2030年前后。可以預(yù)見(jiàn)，第六代戰(zhàn)機(jī)必然采用先進(jìn)的激光技術(shù)替代傳統(tǒng)彈藥，實(shí)現(xiàn)空間的快速對(duì)抗與攻防，并且達(dá)到超機(jī)動(dòng)性要求。為了達(dá)到中遠(yuǎn)程目標(biāo)的攻擊，甚至有可能裝備數(shù)萬(wàn)瓦固體激光攻擊系統(tǒng)。同時(shí)，隨著光電攻防多樣化手段和方法的不斷涌現(xiàn)，還可能配備多光譜、高能量的脈沖或連續(xù)光電對(duì)抗系統(tǒng)。因此，我國(guó)未來(lái)要加緊研制相關(guān)光電對(duì)抗系統(tǒng)，用以配合第六代戰(zhàn)機(jī)的實(shí)用化和工程化，縮短與美國(guó)戰(zhàn)機(jī)的技術(shù)代差。

目前，中紅外固體激光器的發(fā)展仍然面臨熱管理和2μm附近泵浦源等關(guān)鍵問(wèn)題。而未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需要不斷擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑，對(duì)激光功率的要求將會(huì)跨過(guò)百瓦量級(jí)，同時(shí)需要具備3個(gè)大氣可傳輸窗口。隨著攻防對(duì)抗多樣性和普適性需求，多波段可調(diào)諧激光輸出必將是重要的研究方向。另外，為了節(jié)省能耗，需增加機(jī)載平臺(tái)的滯空時(shí)間，基于固體的毫秒、納秒和準(zhǔn)連續(xù)激光器的研制也是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

根據(jù)目前中紅外激光的性能及自身優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同作戰(zhàn)目標(biāo)和作戰(zhàn)場(chǎng)景，部署不同類(lèi)型的激光器用于實(shí)戰(zhàn)裝備(例如化學(xué)激光能夠?qū)崿F(xiàn)兆瓦級(jí)的激光輸出，可以部署在陸基、海基上)，以應(yīng)對(duì)4000～5000km外彈道導(dǎo)彈和地球同步衛(wèi)星的威脅；低溫Fe:ZnSe激光器適應(yīng)天基中外太空的工作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆焦的脈沖激光輸出，能夠干擾距離1～50km的探測(cè)器；固體摻雜中紅外激光器應(yīng)用OPO-ZGP技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)3波段(1～3μm，3～5μm，8～12μm)的多光譜激光輸出，更加適合機(jī)動(dòng)、靈活、多變的指控權(quán)對(duì)抗的機(jī)載平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)1～20km遠(yuǎn)距離光電對(duì)抗需求。

4 結(jié) 論

本文主要結(jié)合中紅外激光在光電對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用和目前國(guó)外的發(fā)展情況，介紹了中紅外(3～5μm)波段激光光源的分類(lèi)和基本工作原理，分析了中紅外光源發(fā)展面臨的問(wèn)題。雖然可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)、大能量的激光輸出，但是每一種光源都或多或少存在一定的缺陷和技術(shù)難點(diǎn)。

目前，化學(xué)激光光源仍然是重要的戰(zhàn)略技術(shù)方案，其工作研究重點(diǎn)應(yīng)放在設(shè)備輕量化和尾氣處理裝置小型化方面。將其質(zhì)量減小至50t以內(nèi)，即可搭載于小型民航空客A330航空飛機(jī)上，執(zhí)行戰(zhàn)略打擊。二氧化碳激光光源需要進(jìn)行光路折疊和電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，在總質(zhì)量控制在5t以內(nèi)時(shí)，可搭載陸基卡車(chē)機(jī)動(dòng)平臺(tái)。固體激光器為主要告警系統(tǒng)光源，基于OPO-ZGP技術(shù)路線的百瓦級(jí)多光譜光源將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展方向之一，可搭載于戰(zhàn)斗機(jī)和大型無(wú)人機(jī)平臺(tái)上。另外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和材料的不斷迭代，量子級(jí)聯(lián)激光器通過(guò)合束和耦合后，功率可以達(dá)到20W以上，質(zhì)量可控制在5kg以內(nèi)，探測(cè)距離為2～5km，可搭載于小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)?？栈脚_(tái)未來(lái)若突破固體小型化泵源技術(shù)(2.94μm)，采用低溫Fe:ZnSe技術(shù)直接輸出方式工作的中紅外對(duì)抗系統(tǒng)將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)千、萬(wàn)瓦級(jí)輸出的重要技術(shù)手段。而隨著超快激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于碟片技術(shù)的百千瓦中紅外ns、ps光源也可被應(yīng)用于新型光電對(duì)抗系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)防御和毀傷目標(biāo)。目前針對(duì)中紅外系統(tǒng)，還需要提升2μm附近泵浦源的功率，相關(guān)增益介質(zhì)、非線性晶體的質(zhì)量和ZGP的熱管理技術(shù)。未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)更加需要集成、高效、機(jī)動(dòng)、快速、多變的對(duì)抗策略而光電對(duì)抗直接針對(duì)偵察探測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)，是最前端的防御策略。隨著中紅外激光體系的不斷發(fā)展和激光性能的不斷提升，中紅外激光將為光電防御裝備注入新的力量，提升戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，因此針對(duì)中紅外激光新技術(shù)和新方法的研究將受到廣泛的關(guān)注。