中紅外激光（3~5 μm 波段）在空間通訊、遙感、光電對(duì)抗、醫(yī)療、大氣監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，一直都是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

產(chǎn)生中紅外激光的方法很多，其中基于空芯光纖的氣體激光器近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注，已經(jīng)被證明是產(chǎn)生中紅外激光的有效手段，為解決傳統(tǒng)中紅外光纖激光在波長(zhǎng)拓展和功率提升方面存在的技術(shù)瓶頸提供了新思路。

近日，國(guó)防科技大學(xué)王澤鋒教授課題組將 HBr 氣體充入反諧振空芯光纖中，使用 2 μm波段連續(xù)波摻銩光纖放大器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了 3.8 μm 到 4.5 μm 范圍一共 11 條中紅外激光譜線輸出，在 4.2 μm 得到了最大輸出功率 500 mW，激光斜效率為 18%。此外，輸出的 4496 nm 是已報(bào)道的連續(xù)波光纖激光最長(zhǎng)波長(zhǎng)，686 nm 的調(diào)諧范圍是連續(xù)波光纖激光最大調(diào)諧范圍。

相關(guān)研究成果以"Towards high-power mid-IR light source tunable from 3.8 to 4.5 μm by HBr-filled hollow-core silica fibres"為標(biāo)題發(fā)表于Light: Science & Applications。

光纖激光具有良好的光束、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，一直是研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的石英光纖激光在近紅外波段技術(shù)成熟，有著廣泛的應(yīng)用，但石英玻璃材料聲子能量高達(dá) 1100 cm^-1，對(duì)于波長(zhǎng) 2.2 μm 以上的光具有很強(qiáng)的吸收，傳輸損耗急劇增大。要有效產(chǎn)生 2.2 μm 以上的激光，通常采用在中紅外波段具有較低傳輸損耗的軟玻璃光纖，比如氟化物玻璃光纖、硫系玻璃光纖、碲化物玻璃光纖。但由于泵浦波長(zhǎng)和激光波長(zhǎng)間的量子數(shù)虧損（名詞解釋>），中紅外光纖連續(xù)波激光輸出功率隨著發(fā)射波長(zhǎng)增加而下降（如圖 1 所示），同時(shí)，由于軟玻璃的熔點(diǎn)較低、熱穩(wěn)定性差，在高功率輸出方面受到很大限制。

圖 1：中紅外光纖連續(xù)波激光發(fā)展現(xiàn)狀

基于技術(shù)成熟的石英玻璃材料的空芯光纖為解決上述傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖存在的問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑，由于空芯光纖中傳輸光場(chǎng)強(qiáng)度最大的中心區(qū)域沒(méi)有與玻璃材料接觸，極大的降低了玻璃材料吸收引起的傳輸損耗，相較于實(shí)芯光纖具有更大的損傷閾值，低非線性和低色散性等特點(diǎn)。

空芯光纖為光與氣體的相互作用提供了一個(gè)理想的環(huán)境，相較于傳統(tǒng)的氣體腔，空芯光纖將泵浦光約束在纖芯幾十微米的區(qū)域內(nèi)，泵浦強(qiáng)度提高了 3~5 個(gè)數(shù)量級(jí)，有效作用距離可增加 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

和摻稀土離子實(shí)芯光纖激光器相比，基于空芯光纖的氣體激光器增益介質(zhì)選擇靈活得多，不僅種類更豐富，而且便于更換，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)更多的激光波長(zhǎng)。

研究亮點(diǎn)

圖 2：實(shí)驗(yàn)裝置及基本原理

分別用不同的泵浦波長(zhǎng)，可以得到的中紅外輸出光譜如圖 3（a）所示，中紅外波長(zhǎng)可以從 3.8 μm 到 4.5 μm，覆蓋范圍達(dá) 686 nm，是目前光纖連續(xù)波激光最大調(diào)諧范圍，由于 HBr 氣體分子本身的能級(jí)躍遷特性，在未加額外的線寬壓窄裝置情況下，每一條光譜線寬僅為 50 MHz 左右。此外，空芯光纖具有良好的單模傳輸特性，輸出的中紅外光束的 M² 因子約為 1.2，如圖 3（b）所示。

圖 3：中紅外輸出光譜及光束質(zhì)量

當(dāng)使用 1966 nm 波長(zhǎng)泵浦時(shí)，對(duì)應(yīng)的 HBr 分子吸收最強(qiáng)的 R（3）吸收線，有最佳的輸出功率效果。圖 4展示了最佳氣壓 5 mbar下輸出的功率特性，在 4.2 μm 波段得到了最大 500 mW 的輸出功率，相對(duì)于吸收的泵浦功率的斜效率為 18%。與理論仿真的差異主要是由于實(shí)際氣壓小于氣壓計(jì)顯示的氣壓。

圖4：中紅外輸出功率特性與仿真對(duì)比

本文首次將 HBr 氣體充入反諧振空芯光纖中，實(shí)現(xiàn)了大范圍可調(diào)諧的中紅外輸出。將來(lái)可以采用直接熔接、拉錐耦合、反拉錐等全光纖耦合的方式代替目前常見的空間泵浦光耦合，形成結(jié)構(gòu)緊湊，貼近實(shí)用的全光纖中紅外激光器；同時(shí)，使用軟玻璃材料可以拉制傳輸范圍更廣的空芯光纖并選擇合適的氣體介質(zhì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)的拓展。

論文信息

Zhou et al. Light: Science & Applications (2022) 11:15