本封面的核心元素是兩段空芯光纖，分別代表了兩種工作原理的HCFGL?？招窘Y(jié)構(gòu)提供了光與氣體介質(zhì)相互作用的理想環(huán)境，周?chē)腃O?、HBr等分子是光纖內(nèi)的增益氣體，基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)原理可實(shí)現(xiàn)3.1~4.8 μm中紅外波段的激光輸出；文字“Visible to mid-IR”則體現(xiàn)基于受激拉曼散原理實(shí)現(xiàn)寬波段輸出的能力。封面所展示的技術(shù)結(jié)合了光纖激光器和氣體激光器的優(yōu)點(diǎn)。

1.背景介紹

光纖激光器憑借光束質(zhì)量好、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，基于Yb3+、Er3+、Tm3+三種主流的稀土離子摻雜，其發(fā)展主要集中在1 μm、1.5 μm和2 μm波段。由于石英光纖聲子能量等因素的限制，光纖激光器在其他波段、特別是中紅外波段的波長(zhǎng)拓展以及功率提升發(fā)展受限。

空芯光纖（HCF）作為一種新型光纖將光場(chǎng)主要限制在空芯區(qū)域傳輸，大幅降低與基質(zhì)材料的重疊，具備低損耗、低非線(xiàn)性、高損傷閾值等優(yōu)勢(shì)；其既能高效低損耗傳輸激光，又為光與氣體相互作用提供了理想環(huán)境。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展的空芯光纖氣體激光（HCFGL），融合了光纖激光器與氣體激光器的核心優(yōu)點(diǎn)，為傳統(tǒng)實(shí)芯光纖激光實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)拓展、以及功率提升提供了全新解決路徑，有望在空間通信、材料加工、生物醫(yī)療和光電對(duì)抗等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2.關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

HCF迅速發(fā)展，窄線(xiàn)寬光纖激光泵浦源性能日益提升，HCF耦合技術(shù)不斷突破，為HCFGL的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。

2.1 低傳輸損耗空芯光纖的發(fā)展

如今HCF在多個(gè)波段的傳輸損耗已突破實(shí)芯光纖的極限，HCF性能的提升極大程度地促進(jìn)了HCFGL的發(fā)展。在500~600 nm可見(jiàn)光波段，HCF的傳輸損耗已經(jīng)低至1 dB/km；1.5 μm通信波段的傳輸損耗更是僅有驚人的0.091 dB/km，打破了傳統(tǒng)實(shí)芯光纖的損耗極限；盡管聲子能量對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光損耗較大，但HCF在中紅外波段的低損耗也達(dá)到了18 dB/km（@3.16 μm）。

2.2 窄線(xiàn)寬光纖激光泵浦源發(fā)展

1 μm、1.5 μm和2 μm波段的窄線(xiàn)寬光纖激光是HCFGL常用的泵浦源。基于Yb3+摻雜光纖，1 μm波段窄線(xiàn)寬光纖激光的高功率已突破7 kW；摻銩光纖激光器是產(chǎn)生2 μm窄線(xiàn)寬光纖激光的主要手段，其高輸出功率也已達(dá)到2 kW；1.5 μm光纖激光的功率水平雖不及二者，目前也能實(shí)現(xiàn)數(shù)百瓦功率輸出。

2.3 空芯光纖耦合技術(shù)的發(fā)展

能否實(shí)現(xiàn)空芯-實(shí)芯低損耗、高效率耦合是HCFGL往高功率、高效率發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前主要的耦合方式包括空間耦合、拉錐耦合、熔接耦合等?？臻g耦合技術(shù)成熟，但是抗干擾能力較差；拉錐耦合能夠提升系統(tǒng)的緊湊性和穩(wěn)定性，但是工藝復(fù)雜、耐高功率能力差。熔接技術(shù)能實(shí)現(xiàn)低損耗高可靠性耦合，但是回光反射問(wèn)題仍有待解決。

3. 空芯光纖氣體激光進(jìn)展

C2H2、HBr、CO等氣體是基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的HCFGL常見(jiàn)增益氣體。得益于這些氣體分子的吸收/發(fā)射特性，該類(lèi)HCFGL輸出中紅外波段激光有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)泵浦填充CO的HCF，HCFGL的最長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)已經(jīng)突破4.8 μm，這是目前為止報(bào)道的石英基光纖激光器的最長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)，彰顯了HCFGL的波長(zhǎng)拓展能力；該類(lèi)激光器在中紅外波段的功率提升能力同樣出色，基于C2H2和HBr粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的HCFGL分別在3.1 μm和4.16 μm處實(shí)現(xiàn)了21.8 W和10 W的連續(xù)波激光輸出，21.8 W代表著該類(lèi)HCFGL的高輸出功率，而10 W則書(shū)寫(xiě)了4 μm以上光纖激光功率新紀(jì)錄；通過(guò)HCF中HBr/CO兩種氣體混充，HCFGL實(shí)現(xiàn)了3808 nm到4842 nm的階躍調(diào)諧激光輸出，超過(guò)1000nm的跨度是目前光纖激光大的調(diào)諧范圍，展現(xiàn)了HCFGL寬波段輸出能力。

圖1 基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的HCFGL代表性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和結(jié)果。(a) 4.8 μm空芯光纖CO氣體激光；(b) 高功率空芯光纖C2H2氣體激光；(c) 高功率空芯光纖HBr氣體激光；(d) 大范圍階躍調(diào)諧輸出的空芯光纖HBr/CO混充氣體激光

基于SRS原理的HCFGL輸出波長(zhǎng)靈活，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的激光輸出。H2、CH4、D2是此類(lèi)激光器常見(jiàn)的氣體，目前，該類(lèi)HCFGL輸出波長(zhǎng)已覆蓋紫外到中紅外波段。2002年，該類(lèi)HCFGL一次得到報(bào)道，利用HCF代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣體腔，將激光閾值降低了多個(gè)數(shù)量級(jí)，開(kāi)辟了HCFGL新紀(jì)元（Benabid F, Knight J C, Antonopoulos G, et al. Science, 2002）；通過(guò)泵浦HCF中CH4和D2可以直接輸出1.5 μm高功率、窄線(xiàn)寬激光，為光纖通信、遙感探測(cè)所需光源提供了新思路；通過(guò)CH4和D2氣體級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換或直接借助H2振動(dòng)SRS過(guò)程，還可以有效輸出中紅外波段激光；該類(lèi)HCFGL目前高輸出功率已突破110 W，高功率輸出潛力巨大。

圖2 基于SRS的HCFGL代表性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和結(jié)果。(a) HCFGL；(b) 1.5 μm波段空芯光纖甲烷氣體激光；(c) 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波段HCFGL；(d) 110 W高功率HCFGL

4.總結(jié)與展望

HCFGL在激光波長(zhǎng)拓展、功率提升等方面均表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，為解決常規(guī)實(shí)芯光纖激光存在的技術(shù)瓶頸提供了全新思路。未來(lái)，圍繞HCFGL的性能提升與實(shí)用化目標(biāo)，可從多維度實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破：降低HCF傳輸損耗、優(yōu)化高功率窄線(xiàn)寬泵浦源性能、開(kāi)發(fā)光譜合束技術(shù)，可將HCFGL輸出功率推向新高度；深入研究氣體分子物理特性、探索電激勵(lì)等新型泵浦方式、嘗試多氣體混充，提升HCFGL波長(zhǎng)拓展以及寬范圍調(diào)諧能力；攻克空芯-實(shí)芯光纖低損耗高強(qiáng)度耦合難題，同步全光纖光電器件研發(fā)，加速HCFGL全光纖化進(jìn)程。上述技術(shù)突破將為HCFGL綜合性能突破以及其在光電對(duì)抗、激光通信、前沿光譜探測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用筑牢根基。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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