光纤气体激光器实现 3.8~4.5 μm 输出

时间:2022-01-26 10:49来源:LightScienceApplications作者:Li 点击:
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摘要:撰稿 | 周智越 王泽锋 说明 | 本文来自论文作者(课题组)投稿 中红外激光(3~5 m 波段) 在空间通讯、遥感、光电对抗、医疗、大气监测等众多领域有重要的应用价值,一直都是国内外关注的热点。 产生中红外激光的方法很多,其中 基于空芯光纤的气体激光器 近年来受到了广泛关注,已经被证明是产生中红外激光的有效手段,为解决传统中红外光纤激光在波长拓展和功率提升

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撰稿 | 周智越 王泽锋

 

说明 | 本文来自论文作者(课题组)投稿

 

中红外激光(3~5 μm 波段)在空间通讯、遥感、光电对抗、医疗、大气监测等众多领域有重要的应用价值,一直都是国内外关注的热点。

 

产生中红外激光的方法很多,其中基于空芯光纤的气体激光器近年来受到了广泛关注,已经被证明是产生中红外激光的有效手段,为解决传统中红外光纤激光在波长拓展和功率提升方面存在的技术瓶颈提供了新思路。

 

近日,国防科技大学王泽锋教授课题组将 HBr 气体充入反谐振空芯光纤中,使用 2 μm波段连续波掺铥光纤放大器作为泵浦源,实现了 3.8 μm 到 4.5 μm 范围一共 11 条中红外激光谱线输出,在 4.2 μm 得到了最大输出功率 500 mW,激光斜效率为 18%。此外,输出的 4496 nm 是已报道的连续波光纤激光最长波长,686 nm 的调谐范围是连续波光纤激光最大调谐范围。

 

相关研究成果以"Towards high-power mid-IR light source tunable from 3.8 to 4.5 µm by HBr-filled hollow-core silica fibres"为标题发表于Light: Science & Applications

 

光纤激光具有良好的光束、结构紧凑、转换效率高等优势,一直是研究的热点。

 

传统的石英光纤激光在近红外波段技术成熟,有着广泛的应用,但石英玻璃材料声子能量高达 1100 cm-1,对于波长 2.2 μm 以上的光具有很强的吸收,传输损耗急剧增大。要有效产生 2.2 μm 以上的激光,通常采用在中红外波段具有较低传输损耗的软玻璃光纤,比如氟化物玻璃光纤、硫系玻璃光纤、碲化物玻璃光纤。但由于泵浦波长和激光波长间的量子数亏损(名词解释>),中红外光纤连续波激光输出功率随着发射波长增加而下降(如图 1 所示),同时,由于软玻璃的熔点较低、热稳定性差,在高功率输出方面受到很大限制。

 

 

图 1:中红外光纤连续波激光发展现状

 

基于技术成熟的石英玻璃材料的空芯光纤为解决上述传统的实芯光纤存在的问题提供了新的技术途径,由于空芯光纤中传输光场强度最大的中心区域没有与玻璃材料接触,极大的降低了玻璃材料吸收引起的传输损耗,相较于实芯光纤具有更大的损伤阈值,低非线性和低色散性等特点。

 

空芯光纤为光与气体的相互作用提供了一个理想的环境,相较于传统的气体腔,空芯光纤将泵浦光约束在纤芯几十微米的区域内,泵浦强度提高了 3~5 个数量级,有效作用距离可增加 1~2 个数量级。

 

和掺稀土离子实芯光纤激光器相比,基于空芯光纤的气体激光器增益介质选择灵活得多,不仅种类更丰富,而且便于更换,可以根据需要实现更多的激光波长。

 

 

目前基于空芯光纤气体激光器被广泛报道,前期我们利用充有二氧化碳的空芯光纤实现了 4.3 μm 光纤激光输出(https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000951),双原子分子的 HBr 气体相较于二氧化碳能级结构稀疏,有利于产生波长更大范围调谐的中红外输出,在红外对抗、空间光通信等领域有更加广泛的用途。

 

 

研究亮点

 

由于空芯光纤中 HBr 气体能够提供足够大的增益,实验系统中未加反馈装置,采用了单程放大结构,如图 2(a)所示。泵浦源系统是一个自行搭建的二级放大连续波可调谐窄线宽 2 μm 掺铥光纤放大器,为了实现不同中红外波长输出,采用了六个波长可微调的半导体激光器作为种子源。空芯光纤内的 HBr 分子被泵浦时会发生如图 2(b)所示的本征吸收跃迁,同时发射 4 μm 波段R支和P支两条激光谱线输出。图 2(c)展示了 HBr 分子在 2 μm 波段一阶泛频吸收谱(名词解释>)及实验中选择的泵浦波长。

 

图 2:实验装置及基本原理

 

分别用不同的泵浦波长,可以得到的中红外输出光谱如图 3(a)所示,中红外波长可以从 3.8 μm 到 4.5 μm,覆盖范围达 686 nm,是目前光纤连续波激光最大调谐范围,由于 HBr 气体分子本身的能级跃迁特性,在未加额外的线宽压窄装置情况下,每一条光谱线宽仅为 50 MHz 左右。此外,空芯光纤具有良好的单模传输特性,输出的中红外光束的 M因子约为 1.2,如图 3(b)所示。

 

 

图 3:中红外输出光谱及光束质量

 

当使用 1966 nm 波长泵浦时,对应的 HBr 分子吸收最强的 R(3)吸收线,有最佳的输出功率效果。图 4展示了最佳气压 5 mbar下输出的功率特性,在 4.2 μm 波段得到了最大 500 mW 的输出功率,相对于吸收的泵浦功率的斜效率为 18%。与理论仿真的差异主要是由于实际气压小于气压计显示的气压。

 

 

图4:中红外输出功率特性与仿真对比

 

本文首次将 HBr 气体充入反谐振空芯光纤中,实现了大范围可调谐的中红外输出。将来可以采用直接熔接、拉锥耦合、反拉锥等全光纤耦合的方式代替目前常见的空间泵浦光耦合,形成结构紧凑,贴近实用的全光纤中红外激光器;同时,使用软玻璃材料可以拉制传输范围更广的空芯光纤并选择合适的气体介质,进一步实现波长向长波长的拓展。

 

论文信息

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

 

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00703-6
【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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