光纖氣體激光器是隨著空芯光纖的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一類新型光源。空芯光纖中的氣體為增益介質(zhì)。空芯光纖可以將泵浦光約束于直徑為數(shù)微米至數(shù)十微米的纖芯內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，極大增強(qiáng)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(jié)合了光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好和氣體激光器波長(zhǎng)選擇靈活、激光譜線窄、損傷閾值高、非線性效應(yīng)弱等優(yōu)點(diǎn)，為解決當(dāng)前實(shí)芯摻雜光纖激光器在功率提升、波長(zhǎng)拓展、譜線控制等方面遇到的技術(shù)瓶頸提供了全新的思路，特別在產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外波段激光方面有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ陙硎艿搅藝?guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

　　在石英基空芯光纖中進(jìn)行合理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充入不同種類的氣體作為增益介質(zhì)，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(shí)現(xiàn)3~5 μm中紅外波段窄線寬光纖激光輸出。

　　創(chuàng)新工作

　　近期，國(guó)防科技大學(xué)高能激光技術(shù)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(wěn)定耦合關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，使用一段長(zhǎng)約8 m、充有300 Pa 乙炔的空芯光纖，實(shí)現(xiàn)了4.5 W的3.1 μm波段中紅外激光輸出，為目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的此類激光器的最高輸出功率，總光光轉(zhuǎn)化效率約為14%。

　　實(shí)驗(yàn)采用的是不含諧振腔的單程結(jié)構(gòu)，如圖1所示。泵浦源輸出激光經(jīng)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(jìn)氣體腔中的光纖密封技術(shù)，可有效提升穩(wěn)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(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生3.1 μm信號(hào)激光。

　　圖1中的插圖為所使用的無節(jié)點(diǎn)型共振空芯光纖的橫截面電鏡圖。

　　圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

　　課題組測(cè)量了激光器的輸出特性，結(jié)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(jié)果，顯示了兩條信號(hào)譜線[P(17)：~3106 nm和R(15) ：~3182 nm]隨注入功率變化的競(jìng)爭(zhēng)情況。因?yàn)閮蓷l發(fā)射譜線共享同一個(gè)上能級(jí)，因此存在相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。雖然系統(tǒng)為單程結(jié)構(gòu)，信號(hào)激光為放大的自發(fā)輻射，但是乙炔分子的發(fā)射譜線線寬極小(百M(fèi)Hz量級(jí))，因此本文的激光器具備窄線寬特性。

　　圖2(b)為測(cè)量得到的信號(hào)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(chǎn)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(yīng)的總光光轉(zhuǎn)化效率約為14%。其中，插圖為輸出信號(hào)的近場(chǎng)分布，斜8°放置的輸出端平面窗口導(dǎo)致信號(hào)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(hào)功率下輸出光譜;(b)信號(hào)功率隨泵浦功率變化曲線圖

　　總結(jié)與展望

　　課題組利用一段充有乙炔氣體的空芯光纖，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jìn)一步提升的關(guān)鍵問題之一，通過突破空芯光纖與實(shí)芯光纖的低損耗熔接技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)高功率全光纖中紅外氣體激光器。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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