光纖氣體激光器是隨著空芯光纖的出現而發展起來的一類新型光源。空芯光纖中的氣體為增益介質。空芯光纖可以將泵浦光約束于直徑為數微米至數十微米的纖芯內進行長距離傳輸，極大增強光與氣體的相互作用，大大降低氣體激光的出光閾值。

　　光纖氣體激光器結合了光纖激光器結構緊湊、轉換效率高、光束質量好和氣體激光器波長選擇靈活、激光譜線窄、損傷閾值高、非線性效應弱等優點，為解決當前實芯摻雜光纖激光器在功率提升、波長拓展、譜線控制等方面遇到的技術瓶頸提供了全新的思路，特別在產生中遠紅外波段激光方面有巨大的發展潛力，近年來受到了國內外廣泛關注。

　　在石英基空芯光纖中進行合理的微結構設計，充入不同種類的氣體作為增益介質，采用光泵浦的方式，利用氣體分子在1~2 μm近紅外波段的本征吸收，可以實現3~5 μm中紅外波段窄線寬光纖激光輸出。

　　創新工作

　　近期，國防科技大學高能激光技術研究所光纖激光課題組在低氣壓密封條件下高功率泵浦激光高效穩定耦合關鍵技術方面取得了重要進展，使用一段長約8 m、充有300 Pa 乙炔的空芯光纖，實現了4.5 W的3.1 μm波段中紅外激光輸出，為目前國內外報道的此類激光器的最高輸出功率，總光光轉化效率約為14%。

　　實驗采用的是不含諧振腔的單程結構，如圖1所示。泵浦源輸出激光經兩塊平凸透鏡耦合至空芯光纖。空芯光纖的兩端密封于氣體腔中，利用氣體腔可以往空芯光纖中充入氣體并控制氣壓。通過改進氣體腔中的光纖密封技術，可有效提升穩定耦合至空芯光纖中的激光功率。充入空芯光纖中的乙炔氣體吸收泵浦激光后，發生粒子數反轉，產生3.1 μm信號激光。

　　圖1中的插圖為所使用的無節點型共振空芯光纖的橫截面電鏡圖。

　　圖1 實驗裝置圖

　　課題組測量了激光器的輸出特性，結果如圖2所示。

　　圖2(a)為空芯光纖充入~300 Pa 乙炔氣體的光譜結果，顯示了兩條信號譜線[P(17)：~3106 nm和R(15) ：~3182 nm]隨注入功率變化的競爭情況。因為兩條發射譜線共享同一個上能級，因此存在相互競爭的關系。雖然系統為單程結構，信號激光為放大的自發輻射，但是乙炔分子的發射譜線線寬極小(百MHz量級)，因此本文的激光器具備窄線寬特性。

　　圖2(b)為測量得到的信號激光功率隨泵浦源功率的變化曲線。可以看到，光纖乙炔氣體激光器具有較低的泵浦閾值(<0.5 W)，產生的3.1 μm中紅外激光的最高功率約為4.5 W，擬合得到的斜率效率(η)約為14.3%，相應的總光光轉化效率約為14%。其中，插圖為輸出信號的近場分布，斜8°放置的輸出端平面窗口導致信號激光分成兩束，排除斜置窗口的因素，空芯光纖輸出的中紅外激光具備良好的基模特性。

　　圖2 (a)不同信號功率下輸出光譜;(b)信號功率隨泵浦功率變化曲線圖

　　總結與展望

　　課題組利用一段充有乙炔氣體的空芯光纖，實現了3.1 μm波段的4.5 W高功率中紅外光纖激光輸出，表明光纖氣體激光器具備實現高功率中紅外光纖激光輸出的潛力。

　　高功率泵浦激光的耦合是制約光纖氣體激光器輸出功率進一步提升的關鍵問題之一，通過突破空芯光纖與實芯光纖的低損耗熔接技術，有望實現高功率全光纖中紅外氣體激光器。

參考文獻： 中國光學期刊網

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