遠望智庫預見未來前沿君微信：tech99999 手機：18501361766
來源：《應用光學》2019年第6期
作者：楊愛粉
轉自：新光電
【導 讀】波長處在1.1 μm～1.7 μm內的短波紅外雷射，具有5個方面的顯著特徵：一是有1.15 μm～1.3 μm和1.4 μm～1.8 μm兩個大氣透射窗口，在這2個透射窗口內的雷射傳輸距離遠；二是大氣散射較弱，穿透霧霾、雨雪、煙霧、沙塵等的能力強，有利於在惡劣天氣條件下的雷射遠距離照射和回波探測；三是對工作在可見和近紅外波段的傳統微光夜視設備是完全隱身的，可在夜間作為輔助照明光源，實施偵察、監視和瞄準；四是有峰值響應波長在該範圍內的成熟的高響應度銦鎵砷（InGaAs）探測器，能夠形成發射和探測接收齊備的短波紅外雷射應用系統；五是處在1.4 μm～1.6μm波段內的雷射對人眼安全，其對人眼虹膜的照射極限為104 J/m2，比1.064 μm的照射極限5×10-2 J/m2高出6個數量級。正是由於短波紅外雷射的以上特徵，使其已經成為雷射軍事應用的一個重要發展方向。尤其是隨著微型鉺玻璃雷射器和小型摻鉺光纖雷射器技術的日益成熟，短波紅外雷射在光電偵察與反偵察中的應用必將會越來越廣泛。
根據短波紅外雷射產生機理的不同，有三大類的短波紅外雷射器，分別是半導體雷射器、光纖雷射器和固體雷射器。其中固體雷射器又可分為基於光學非線性波長變換的固體雷射器和由雷射工作物質直接產生短波紅外雷射的固體雷射器兩種。
半導體雷射器以半導體材料作為雷射工作物質，其輸出雷射波長由半導體材料的禁帶寬度決定。隨著材料科學的發展，可通過能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，將雷射波長擴展到更寬的範圍。因此，用半導體雷射器可獲得多個短波紅外雷射波長。半導體雷射器採用簡單的電激勵方式，發射雷射模式既可以是連續的，也可以是脈衝的。脈衝模式工作時，雷射重複頻率可高可低。因此，半導體雷射器電光轉換效率高、模式靈活、成本低、體積小、質量輕、壽命長，在工業、科研和軍事上的應用前景廣闊。短波紅外半導體雷射器典型的雷射工作物質是磷化體材料。如孔徑尺寸95μm的磷化銦半導體雷射器，輸出雷射波長1.55 μm和1.625 μm，功率已經達到了1.5 W[2]。光纖雷射器以摻稀土元素的玻璃光纖做雷射介質，用半導體雷射器做泵浦源，具有閾值低、轉換效率高、輸出光束質量好、結構簡單、可靠性高等優異特性。還可利用稀土離子輻射光譜寬的特點，通過在雷射諧振腔內加入光柵等選擇性光學元件，構成可調諧光纖雷射器。光纖雷射器已經成為雷射器技術發展的一個重要方向。典型的短波紅外光纖雷射器採用的是摻鉺（Er3+）增益光纖，可輸出1.536μm和1.55 μm兩個波長的短波紅外雷射，在這兩個波長處的可調諧寬度分別為14 nm和11 nm。法國SENSUP公司的1.55 μm光纖雷射器，採用1.55 μm半導體雷射器做種子源的MOPA（主振蕩功率放大器），在5 kHz重複頻率時，峰值功率可達到20 kW。1）由雷射工作物質直接產生短波紅外雷射的固體雷射器可直接產生短波紅外雷射的固體雷射增益介質主要是Er:YAG晶體和陶瓷、以及摻Er玻璃。基於Er:YAG晶體和陶瓷的固體雷射器，可直接輸出1.645μm短波紅外雷射，是近年來短波紅外雷射器研究的一個熱點[３-５]。目前，採用電光或聲光調Q的Er:YAG雷射器脈衝能量已經達到幾到幾十mJ，脈衝寬度幾十ns，重複頻率幾十到千Hz，若用1.532 μm的半導體雷射作泵浦源，將會在雷射主動偵察和雷射對抗領域有很大優勢，尤其是其對典型雷射告警器具有隱身效果。摻Er的矽酸玻璃和磷酸玻璃可直接產生1.5Xμm的雷射，如Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃（1.535 μm)等。這類雷射器輸出的雷射束質量好，用可飽和吸收被動調Q，可將脈衝寬度壓縮到幾個ns，是一種典型的短波紅外脈衝雷射器，其輸出雷射波長更接近探測器的峰值波長1.55 μm，非常適用於雷射主動探測應用。Er玻璃雷射器結構緊湊、成本低、質量輕，還可實現調Q運轉，是短波紅外波段雷射主動探測的首選光源。但由於Er玻璃材料有4個方面的缺點：一是吸收光譜中心波長940 nm或976 nm，燈泵浦很難實現；二是Er玻璃材料製備困難，不容易做出大尺寸；三是Er玻璃材料熱性能差，不容易實現重複頻率長時間運轉，更不能實現連續運轉；四是沒有合適的調Q材料。儘管基於Er玻璃的短波紅外雷射器研究一直受到人們的關注，但由於以上4個方面的原因，一直沒有產品問世。直到1990年之後，隨著波長940 nm和980 nm的半導體雷射bar條、以及Co2+:MgAl2O4（摻鈷鋁酸鎂）等飽和吸收材料的出現，突破了泵浦源和調Q兩大瓶頸，Er玻璃雷射器研究才得到了快速發展。尤其是近幾年來，我國將半導體泵浦源、Er玻璃和諧振腔集成做在一起的微型Er玻璃雷射器模塊重量不超過10 g，已經具備了峰值功率50 kW模塊的小批量生產能力。但由於Er玻璃材料熱性能差的緣故，雷射模塊重複頻率還比較低，50 kW模塊雷射頻率只有5 Hz，20 kW模塊雷射頻率最大10 Hz，只能用於低頻率場合。Nd:YAG脈衝雷射器輸出的1.064 μm雷射，峰值功率高達兆瓦量級，這樣的強相干光通過某些特殊物質時，其光子在物質的分子上發生非彈性散射，即光子被吸收並產生較低頻率的光子。有兩類物質可實現這種頻率變換效應：一是非線性晶體，如KTP、LiNbO3等；二是H2等高壓氣體。將它們放置在光學諧振腔內，就形成光參量振蕩器（OPO）。基於非線性晶體的OPO，泵浦光被吸收並產生2個低頻光波（信號波和閒置波），通常OPO只反饋其中一個。用1.064 μm雷射泵浦KTP、LiNbO3等非線性晶體，可獲得1.57 μm的短波紅外雷射。基於高壓氣體的OPO通常是指受激喇曼散射光參量振蕩器，泵浦光被部分吸收並產生一個低頻率光波。成熟的喇曼雷射器是用1.064 μm雷射泵浦高壓氣體H2，獲得1.54 μm短波紅外雷射。基於光參量振蕩器的Nd:YAG雷射器，首先由Nd:YAG雷射器產生1.064 μm脈衝雷射，然後經過OPO進行波段轉換，因此雷射器整體電光效率低，但所產生的短波紅外雷射峰值功率可達兆瓦及以上量級，是目前國內外獲得高峰值功率短波紅外雷射的最佳技術途徑。
短波紅外雷射最成熟的應用就是人眼安全雷射測距[９]，已有多個型號的產品裝備，多用於手持式雷射測距和車載火控系統雷射測距。這些產品的雷射器採用的是波長1.54 μm的喇曼頻移雷射器或1.57 μm的OPO雷射器。探測器則選用高靈敏度的InGaAs/InP雪崩探測器，其峰值相應波長1.55 μm處的響應度比矽雪崩探測器對1.06 μm雷射響應度高出一個數量級，而最小可探測功率則要低一個數量級。另外，1.54μm和1.57μm雷射的大氣衰減也比1.06 μm雷射小。因此，雷射脈衝能量只有幾到十幾毫焦的人眼安全雷射測距機，最大測程就能達到10 km～20 km。近年來，隨著摻Er光纖雷射器和Er玻璃雷射器技術的飛速發展和工藝的日益成熟，輔以多脈衝信號處理技術，體積、質量和功耗更小的微小型光纖雷射器和鉺玻璃雷射器將逐漸取代體積、質量和功耗大的基於光參量振蕩器的固體雷射器，成為人眼安全雷射測距機更理想的雷射源。SENSUP公司的LRF-1550-MR/MR+型人眼安全測距機，雖然採用的1.55 μm光纖雷射器脈衝峰值功率只有千kW量級，但由於採用了多脈衝（十脈衝）測距體制，其對2.3 m×2.3 m標準目標的最大測程達到了15 km@5 Hz，功耗只有7 W，質量840 g。圖1為LRF-1550-MR/MR+人眼安全雷射測距機照片。
圖1 SENSUP公司的LRF-1550-MR/MR+雷射測距機
以短波紅外雷射做光源的成像雷射雷達除具有普通成像雷射雷達的空間解析度高、距離精度高、體積小、質量輕、功耗低等優點外，其對大霧、雨雪、沙塵等惡劣視覺環境的穿透能力強，非常適合於直升機的航行避障和著陸導航。成像雷射雷達有兩種成像方式：一種是基於單元探測器的兩維掃描式成像，它是用窄雷射束對視場內區域進行逐點掃描探測，因此雷射器的頻率必須足夠高，通常採用的是重複頻率幾十甚至上百kHz的短脈衝雷射器，雷射峰值功率幾十kW到百kW，以半導體雷射器和光纖雷射器為主。這類雷射雷達的探測距離遠，但存在成像解析度和成像速率之間的矛盾。在視場一定的情況下，如果要解析度高，則掃描的點就多，掃描成像時間長，因而成像速率就低，難以實現實時應用；反之，如果要求成像速率高，則必然要減少掃描點數，解析度不高。另一種是基於面陣探測器的凝視成像，採用的是束散角覆蓋雷達系統視場的寬雷射束，發射單次雷射脈衝就可獲得整幅圖像，因此也叫閃光成像雷達，閃光雷達較好地解決了成像解析度與成像速率之間的矛盾，幀頻高，探測時效性強，但需要的雷射峰值功率要比前者高得多。目前可用的短波紅外雷射器有半導體泵浦Er:YAG雷射器和基於OPO的1.57 μm雷射器，脈衝峰值功率可到兆瓦甚至幾十兆瓦，其20 Hz甚至更高的雷射重複頻率，使得閃光成像雷達的幀頻完全可與CCD相媲美。成熟的短波紅外成像雷射雷達產品大多為掃描成像模式，雷射波長集中在1.5 μm左右。如美國的3D-LZ JCTD高解析度成像雷射雷達，用波長1.5 μm、重複頻率150 kHz的光纖雷射器，探測距離610 m，但幀頻只有0.1 Hz。已見報導的閃光成像雷達是美國的ALHAT閃光雷達，採用的是重複頻率30 Hz、峰值功率6 MW的1.064 μm固體雷射器，成像距離1 km。用短波紅外雷射在夜間對目標照明，目標上的可見和近紅外觀瞄設備、以及傳統的夜視設備都無法感知。如果用1.3 μm或1.6 μm雷射，即使典型的雷射告警器也探測不到。因此，用短波紅外雷射作為輔助照明光源，用InGaAs 焦平面探測器結合低F/#物鏡的短波紅外攝像機，兩者構成光電監視與瞄準系統，不僅通過低能見度條件下的視覺增強大幅提高系統的夜間作用距離，更重要的是其自身具有隱身特性。用於輔助照明隱身監視和瞄準的短波紅外雷射器以較低功率的連續模式和高重頻半導體雷射器和光纖雷射器為主，體積小、質量輕、功耗低。傳感器為標準模式工作的短波紅外攝像機。圖2是用1.5 W的「磷化體LM系列」半導體雷射器（波長1.55 μm）在雪夜對距離3.6 km的防火塔進行輔助照明所獲得的圖像。
圖2 雪夜對3.6 km處防火塔輔助照明獲得的圖像
選通觀察（GV）系統由脈衝雷射照明器和同步選通觀察攝像機組成。在發射雷射脈衝之後，選通觀察攝像機只對選通距離門控範圍內目標返回的雷射光子進行採集，而抑制了目標的前景和背景。一方面，通過抑制物體的背景，獲得比非選通圖像高得多的目標/背景對比度；另一方面，攝像機不採集其與目標之間大氣顆粒反向散射的光子，使GV系統在低能見度條件的成像潛力大增。圖3是分別用距離選通和非距離選通對480m遠處的一輛汽車獲得的圖像。其中左圖是用0.950μm～1.65μm波長範圍內的短波紅外波段攝像機獲得的非選通被動圖像，右圖是用1.57μm雷射主動照明獲得的距離選通觀察圖像。可見，選通觀察圖像的對比度明顯高於非選通圖像。
圖3 被動短波紅外圖像 （a）主動照明短波紅外選通觀察圖像 （b）對比
短波紅外GV系統的典型應用是夜間的遠距離成像。雷射照明器應是高峰值功率短脈衝短波紅外雷射器，其重複頻率應與選通攝像機的幀頻一致。根據目前國內外短波紅外雷射器的現狀，半導體泵浦Er:YAG雷射器和基於OPO的1.57 μm固體雷射器是最佳選擇。微型Er玻璃雷射器重複頻率和峰值功率還有待提高。短波紅外雷射反偵察的實質就是用短波紅外雷射束照射敵方工作在短波紅外波段的光電偵察設備，使其獲得錯誤的目標信息或不能正常工作，甚至探測器被損壞。典型的短波紅外雷射反偵察手段有兩種，即對人眼安全雷射測距機的距離欺騙幹擾和對短波紅外攝像機的壓制損傷。脈衝雷射測距機是通過雷射脈衝在發射點與目標間來回一次所經歷的時間間隔換算出目標相對於發射點處的距離。如果在目標的反射回波信號到達發射點之前，測距機探測器接收到其他的雷射脈衝，就會停止計時，以此換算出的距離並不是目標的實際距離，而是比目標實際距離小的虛假距離，這就達到了對測距機的距離欺騙目的。對人眼安全雷射測距機，用同樣波長的短波紅外脈衝雷射器就可實施距離欺騙幹擾。實施測距機距離欺騙幹擾的雷射器模擬的是目標對雷射的漫反射光，所以雷射峰值功率很低，但應滿足以下兩個條件：1）雷射波長必須與被幹擾測距機工作波長一致。測距機探測器前都裝有幹涉濾光片，帶寬非常窄，工作波長之外其他波長的雷射無法到達探測器光敏面，即使波長相近的1.54 μm和1.57 μm雷射都不能相互幹擾。2）雷射重複頻率必須足夠高。測距機探測器只有在實施測距時才響應到達其光敏面的雷射信號。要實現有效幹擾，幹擾脈衝至少應在測距機波門內擠進去2～3個脈衝。目前能實現的測距距離波門在μs量級，所以幹擾雷射必須是高重複頻率。以目標距離3 km為例，雷射來回一次需要的時間為20 μs，按至少進去2個脈衝計算，雷射重複頻率必須達到50 kHz。若雷射測距機的最小測程300 m，則幹擾機的重複頻率不能低於500 kHz。只有半導體雷射器和光纖雷射器才能達到如此高的重複頻率。作為短波紅外成像系統核心部件的短波紅外攝像機，其InGaAs 焦平面探測器的響應光功率動態範圍有限，如果入射光功率超出動態範圍上限，就會出現飽和現象，探測器不能正常成像，更高功率的雷射則會對探測器造成永久性損傷。連續以及峰值功率較低但重複頻率高的半導體雷射器和光纖雷射器，適合於對短波紅外攝像機實施持續壓制式幹擾。用雷射持續照射短波紅外攝像機，由於光學鏡頭的大倍率聚光作用， InGaAs 焦平面上雷射彌散斑所到區域嚴重飽和，因而不能正常成像。只有在雷射照射停止一段時間後成像性能才能逐漸恢復正常。根據多年從事可見和近紅外波段雷射主動對抗產品研發和多次外場損傷效能試驗結果來看，目前只有峰值功率兆瓦量級及以上的短脈衝雷射才能在千米以外距離對電視攝像機造成不可逆的損傷。能否達到損傷效果，雷射的峰值功率是關鍵。只要峰值功率高出探測器損傷閾值，單個脈衝就可損傷探測器。從雷射器的設計難度、散熱和功耗的角度考慮，雷射的重複頻率沒有必要一定要達到攝像機的幀頻甚至更高，10 Hz～20 Hz就能滿足實戰應用。自然，對短波紅外攝像機也不例外。InGaAs 焦平面探測器包括基於InGaAs/ InP電子遷移光電陰極的電子轟擊CCD和後來發展起來的CMOS，它們的飽和與損傷閾值與Si基CCD/CMOS在同一數量級，但目前還沒有獲得InGaAs/ InP基 CCD/COMS的飽和與損傷閾值數據。根據目前國內外短波紅外雷射器的現狀，基於OPO的1.57 μm重頻固體雷射器仍是對CCD/COMS實施雷射損傷的最佳選擇，其較高的大氣穿透性能以及高峰值功率短脈衝雷射的大光斑覆蓋和單脈衝有效特性，對裝有短波紅外攝像機的遠距離光電系統的軟殺傷威力是顯而易見的。波長處在1.1 μm～1.7 μm內的短波紅外雷射，具有大氣透過率高，穿透霧霾、雨雪、煙霧、沙塵等的能力強，對傳統的微光夜視設備隱身，處在1.4 μm～1.6μm波段內的雷射對人眼安全，並有峰值響應波長在該範圍內的成熟的探測器等顯著特徵，已經成為雷射軍事應用的一個重要發展方向。本文對磷化體半導體雷射器、摻Er光纖雷射器、摻Er固體雷射器和基於OPO的固體雷射器等4種典型短波紅外雷射器的技術特點與現狀進行了分析，梳理出了這些短波紅外雷射器在光電主動偵察與反偵察中的典型應用。1）連續與低峰值功率高重頻磷化體半導體雷射器和摻Er光纖雷射器，主要用於夜間遠距離隱身監視瞄準的輔助照明和對敵方短波紅外攝像機的壓制幹擾。高重頻短脈衝磷化體半導體雷射器和摻Er光纖雷射器雷射器還是多脈衝體制人眼安全測距、雷射掃描成像雷達和人眼安全雷射測距機距離欺騙幹擾的理想光源。2）重複頻率不高、但峰值功率兆瓦甚至十兆瓦量級的基於OPO的固體雷射器可廣泛用於閃光成像雷達、夜間遠距離雷射選通觀察、短波紅外雷射損傷和傳統模式遠程人眼安全雷射測距。3）微型Er玻璃雷射器是短波紅外雷射器近幾年發展最快的一個方向，目前的功率和重複頻率水平可用於微小型人眼安全雷射測距機。假以時日，一旦峰值功率達到兆瓦量級，就可用於閃光成像雷達、雷射選通觀察和對短波紅外攝像機的雷射損傷。４）對雷射告警器隱身的半導體泵浦Er:YAG雷射器，是高功率短波紅外雷射器的主流發展方向，在閃光雷射雷達、夜間遠距離雷射選通觀察和雷射損傷方面的應用潛力巨大。近年來，隨著武器系統對光電系統集成化要求越來越高，雷射設備的小型輕量化成為了雷射設備發展的必然趨勢，體積小、質量輕、功耗低的半導體雷射器、光纖雷射器和微型Er玻璃雷射器則成為短波紅外雷射器發展的主流方向。尤其是光束質量好的光纖雷射器，其在夜間輔助照明隱身監視瞄準、掃描成像雷射雷達和雷射壓制幹擾方面具有很大的應用潛力。但目前這三類小型輕量化雷射器的功率/能量普遍偏低，只能用於一些近距離偵察應用，還不能滿足遠距離偵察和反偵察需求。因此，發展重點就是提高雷射功率/能量。基於OPO的固體雷射器光束質量好、峰值功率高，在遠距離選通觀察、閃光成像雷達和雷射損傷方面的優勢依然非常明顯，還應進一步提高雷射輸出能量和雷射重複頻率。對於半導體泵浦Er:YAG雷射器，如果在提高脈衝能量的同時，進一步壓縮脈衝寬度，將會成為OPO固體雷射器的最佳替代產品，在遠距離選通觀察、閃光成像雷達和雷射損傷方面具有較大的應用潛力。
一網打盡系列文章，請回復以下關鍵詞查看：
創新發展：習近平
| 創新中國
| 創新創業
| 科技體制改革
| 科技創新政策
| 協同創新
| 科研管理
| 成果轉化
| 新科技革命
| 基礎研究
| 產學研
| 供給側
熱點專題：軍民融合
| 民參軍
| 工業4.0
| 商業航天
| 智庫
| 國家重點研發計劃
| 基金
| 裝備採辦
| 博士
| 摩爾定律
| 諾貝爾獎
| 國家實驗室
| 國防工業
| 十三五
| 創新教育
| 軍工百強
| 試驗鑑定
| 影響因子
| 雙一流
| 淨評估
預見未來：預見2016
|預見2020
| 預見2025
| 預見2030
| 預見2035
| 預見2045
| 預見2050
前沿科技：顛覆性技術
| 生物
| 仿生
| 腦科學
| 精準醫學
| 基因
| 基因編輯
| 虛擬實境
| 增強現實
| 納米
| 人工智慧
| 機器人
| 3D列印
| 4D列印
| 太赫茲
| 雲計算
| 物聯網
| 網際網路+
| 大數據
| 石墨烯
| 能源
| 電池
| 量子
| 超材料
| 超級計算機
| 衛星
| 北鬥
| 智能製造
| 不依賴GPS導航
| 通信
| 5G
| MIT技術評論
| 航空發動機
| 可穿戴
| 氮化鎵
| 隱身
| 半導體
| 腦機接口
| 傳感器
先進武器：中國武器
| 無人機
| 轟炸機
| 預警機
| 運輸機
| 直升機
| 戰鬥機
| 六代機
| 網絡武器
| 雷射武器
| 電磁炮
| 高超聲速武器
| 反無人機
| 防空反導
| 潛航器
未來戰爭：未來戰爭
| 抵消戰略
| 水下戰
| 網絡空間戰
| 分布式殺傷
| 無人機蜂群
| 太空戰
| 反衛星
領先國家：美國
| 俄羅斯
| 英國
| 德國
| 法國
| 日本
| 以色列
| 印度
前沿機構：戰略能力辦公室 | DARPA
| 快響小組
| Gartner
| 矽谷
| 谷歌
| 華為
| 阿里
| 俄先期研究基金會
| 軍工百強
前沿人物：錢學森
| 馬斯克
| 凱文凱利
| 任正非
| 馬雲
| 歐巴馬
| 川普
專家專欄：黃志澄
| 許得君
| 施一公
| 王喜文
| 賀飛
| 李萍
| 劉鋒
| 王煜全
| 易本勝
| 李德毅
| 遊光榮
| 劉亞威
| 趙文銀
| 廖孟豪
| 譚鐵牛
| 於川信
| 鄔賀銓
全文收錄：2017文章全收錄
| 2016文章全收錄
| 2015文章全收錄
| 2014文章全收錄
其他主題系列陸續整理中，敬請期待……