Banner 商务推广
撰稿 | 周智越 王泽锋
导读
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 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。
研究背景
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。
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。目前基于空芯光纤的气体激光器被广泛 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。
图1 中红外光纤连续波激光发展现状
创新研究
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 2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
总结与展望
论 信息：
该研究成果以" 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。
Zhou ZY., Wang ZF., Huang W., et al,Towards high-power mid-IR light source tunable from 3.8 to 4.5 μm by HBr-filled hollow-core silica fibres. Light Sci. Appl. 11, 15 (2022).
论 地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-021-00703-6
论 传送门在此，请进>>>
高被引 章统计
如下数据来自Web of Science，Light: Science & Applications的高被引 章数量在国内同类期刊中稳居领军地位。截至目前：
超过1100次引用的 章有1篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.99
超过700次引用的 章有2篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.30
超过500次引用的 章有5篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2013.28
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.133
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.48
超过400次引用的 章有6篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2013.26
超过300次引用的 章有18篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.42
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.17
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.67
https://doi.org/10.1038/lsa.2013.6
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.97
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.141
https://doi.org/10.1038/lsa.2012.1
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.168
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.60
https://doi.org/10.1038?/lsa.2014.46
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.76
超过200次引用的 章有47篇
超过100次引用的 章有137篇
超过50次引用的 章有335篇
欢迎课题组投稿——新闻稿
点这里 ?? 关注我
点击【在看】，及时接收我们的内容更新
声明：本站部分 章内容系出于传递信息之目的源自于第三方 站转载，行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与本 站联系，本 站将迅速给予回应并第一时间做出处理（联系邮箱：jinwei@zod.com.cn）。