中紅外激光（3~5 μm 波段）在空間通訊、遙感、光電對抗、醫療、大氣監測等眾多領域有重要的應用價值，一直都是國內外關注的熱點。
產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受到了廣泛關注，已經被證明是產生中紅外激光的有效手段，為解決傳統中紅外光纖激光在波長拓展和功率提升方面存在的技術瓶頸提供了新思路。
近日，國防科技大學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波段連續波摻銩光纖放大器作為泵浦源，實現了 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 是已報道的連續波光纖激光最長波長，686 nm 的調諧范圍是連續波光纖激光最大調諧范圍。
相關研究成果以"Towards high-power mid-IR light source tunable from 3.8 to 4.5 μm by HBr-filled hollow-core silica fibres"為標題發表于Light: Science & Applications。
光纖激光具有良好的光束、結構緊湊、轉換效率高等優勢，一直是研究的熱點。
傳統的石英光纖激光在近紅外波段技術成熟，有著廣泛的應用，但石英玻璃材料聲子能量高達 1100 cm-1，對于波長 2.2 μm 以上的光具有很強的吸收，傳輸損耗急劇增大。要有效產生 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。但由于泵浦波長和激光波長間的量子數虧損（名詞解釋>），中紅外光纖連續波激光輸出功率隨著發射波長增加而下降（如圖 1 所示），同時，由于軟玻璃的熔點較低、熱穩定性差，在高功率輸出方面受到很大限制。
圖 1：中紅外光纖連續波激光發展現狀
基于技術成熟的石英玻璃材料的空芯光纖為解決上述傳統的實芯光纖存在的問題提供了新的技術途徑，由于空芯光纖中傳輸光場強度最大的中心區域沒有與玻璃材料接觸，極大的降低了玻璃材料吸收引起的傳輸損耗，相較于實芯光纖具有更大的損傷閾值，低非線性和低色散性等特點。
空芯光纖為光與氣體的相互作用提供了一個理想的環境，相較于傳統的氣體腔，空芯光纖將泵浦光約束在纖芯幾十微米的區域內，泵浦強度提高了 3~5 個數量級，有效作用距離可增加 1~2 個數量級。
和摻稀土離子實芯光纖激光器相比，基于空芯光纖的氣體激光器增益介質選擇靈活得多，不僅種類更豐富，而且便于更換，可以根據需要實現更多的激光波長。
研究亮點
圖 2：實驗裝置及基本原理
分別用不同的泵浦波長，可以得到的中紅外輸出光譜如圖 3（a）所示，中紅外波長可以從 3.8 μm 到 4.5 μm，覆蓋范圍達 686 nm，是目前光纖連續波激光最大調諧范圍，由于 HBr 氣體分子本身的能級躍遷特性，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量
當使用 1966 nm 波長泵浦時，對應的 HBr 分子吸收最強的 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際氣壓小于氣壓計顯示的氣壓。
圖4：中紅外輸出功率特性與仿真對比
本文首次將 HBr 氣體充入反諧振空芯光纖中，實現了大范圍可調諧的中紅外輸出。將來可以采用直接熔接、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，形成結構緊湊，貼近實用的全光纖中紅外激光器；同時，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，進一步實現波長向長波長的拓展。
論文信息
Zhou et al. Light: Science & Applications (2022) 11:15
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