光纤气体激光器是随着空芯光纤的出现的一类新型光源

　　光纤气体激光器是随着空芯光纤的出现而发展起来的一类新型光源。空芯光纤中的气体为增益介质。空芯光纤可以将泵浦光约束于直径为数微米至数十微米的纤芯内进行长距离传输，极大增强光与气体的相互作用，大大降低气体激光的出光阈值。

　　光纤气体激光器结合了光纤激光器结构紧凑、转换效率高、光束质量好和气体激光器波长选择灵活、激光谱线窄、损伤阈值高、非线性效应弱等优点，为解决当前实芯掺杂光纤激光器在功率提升、波长拓展、谱线控制等方面遇到的技术瓶颈提供了全新的思路，特别在产生中远红外波段激光方面有巨大的发展潜力，近年来受到了国内外广泛关注。

　　在石英基空芯光纤中进行合理的微结构设计，充入不同种类的气体作为增益介质，采用光泵浦的方式，利用气体分子在1~2 μm近红外波段的本征吸收，可以实现3~5 μm中红外波段窄线宽光纤激光输出。

　　创新工作

　　近期，国防科技大学高能激光技术研究所光纤激光课题组在低气压密封条件下高功率泵浦激光高效稳定耦合关键技术方面取得了重要进展，使用一段长约8 m、充有300 Pa 乙炔的空芯光纤，实现了4.5 W的3.1 μm波段中红外激光输出，为目前国内外报道的此类激光器的最高输出功率，总光光转化效率约为14%。

　　实验采用的是不含谐振腔的单程结构，如图1所示。泵浦源输出激光经两块平凸透镜耦合至空芯光纤。空芯光纤的两端密封于气体腔中，利用气体腔可以往空芯光纤中充入气体并控制气压。通过改进气体腔中的光纤密封技术，可有效提升稳定耦合至空芯光纤中的激光功率。充入空芯光纤中的乙炔气体吸收泵浦激光后，发生粒子数反转，产生3.1 μm信号激光。

　　图1中的插图为所使用的无节点型共振空芯光纤的横截面电镜图。

　　图1 实验装置图

　　课题组测量了激光器的输出特性，结果如图2所示。

　　图2(a)为空芯光纤充入~300 Pa 乙炔气体的光谱结果，显示了两条信号谱线[P(17)：~3106 nm和R(15) ：~3182 nm]随注入功率变化的竞争情况。因为两条发射谱线共享同一个上能级，因此存在相互竞争的关系。虽然系统为单程结构，信号激光为放大的自发辐射，但是乙炔分子的发射谱线线宽极小(百MHz量级)，因此本文的激光器具备窄线宽特性。

　　图2(b)为测量得到的信号激光功率随泵浦源功率的变化曲线。可以看到，光纤乙炔气体激光器具有较低的泵浦阈值(<0.5 W)，产生的3.1 μm中红外激光的最高功率约为4.5 W，拟合得到的斜率效率(η)约为14.3%，相应的总光光转化效率约为14%。其中，插图为输出信号的近场分布，斜8°放置的输出端平面窗口导致信号激光分成两束，排除斜置窗口的因素，空芯光纤输出的中红外激光具备良好的基模特性。

　　图2 (a)不同信号功率下输出光谱;(b)信号功率随泵浦功率变化曲线图

　　总结与展望

　　课题组利用一段充有乙炔气体的空芯光纤，实现了3.1 μm波段的4.5 W高功率中红外光纤激光输出，表明光纤气体激光器具备实现高功率中红外光纤激光输出的潜力。

　　高功率泵浦激光的耦合是制约光纤气体激光器输出功率进一步提升的关键问题之一，通过突破空芯光纤与实芯光纤的低损耗熔接技术，有望实现高功率全光纤中红外气体激光器。

参考文献： 中国光学期刊网

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