石英基光纤激光最长波长：4.8μm空芯光纤气体激光器

01导读

国防科技大学王泽锋教授课题组在中红外激光领域取得新进展，通过光纤激光泵浦充有一氧化碳气体的石英基反谐振空芯光纤，实现了4.6 μm到4.8 μm范围中红外激光输出，这一波段是目前已报道的石英基光纤激光最长输出波长。

相关研究成果以“4.8-μm CO-filled hollow-core silica fiber light source”为题于2024年10月18日发表在Light: Science & Applications。

02研究背景

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，其中光纤激光具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑等特点，备受青睐。传统的石英玻璃光纤在中红外波段具有很强的吸收损耗，因此中红外光纤激光多是基于在该波段具有低传输损耗的软玻璃光纤。但由于软玻璃光纤制备困难、鲁棒性差、易于潮解等特性，在高功率输出方面受到很大限制。此外，受限于有限的稀土离子种类和发射带宽，传统中红外光纤激光器波长拓展能力有限，难以实现4 μm波段输出。

图1 体块石英玻璃在中红外波段的吸收损耗

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实芯光纤存在的瓶颈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高损伤阈值，低非线性和低色散等特点。同时，空芯光纤为光与气体的相互作用提供了一个理想的平台。相较于传统气体激光器所使用的气体腔，空芯光纤将泵浦光约束在仅有几十微米的纤芯区域内，泵浦强度可提高3~5个数量级，有效作用距离可增加1~2个数量级。与稀土离子掺杂型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要更为灵活，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。

03创新研究点

图2 一氧化碳分子能级跃迁结构（a）及相应的吸收（b）和发射（b）谱线

针对一氧化碳气体分子的能级结构和吸收谱线，研究团队首先开发了与吸收线相匹配的2.33 μm窄线宽光纤泵浦系统。利用商业化DFB激光器作为种子源，该激光器可实现~7nm调谐范围，覆盖一氧化碳气体分子R（5）~R（9）共5条吸收线。

图3 2.33 μm波段窄线宽光纤激光器（a）整体结构；（b）调谐光谱

为了突破现有瓶颈，研究中所使用的空芯光纤在泵浦波段（2.3~2.6 μm）和激光波段（4.6~4.8μm）均具有较低的传输损耗。该光纤的制备得到艾菲博公司的帮助。

图4 研究中所使用的空芯光纤。（a）空芯光纤横截面的SEM图像；（b）毛细管局部放大图；（c）空芯光纤仿真损耗和实测损耗的比较

研究团队将一氧化碳气体冲入空芯光纤，并利用典型的单程结构，获得了R（9）至P（11）共计10条谱线输出。中红外波长可以从4644.8 nm阶跃调谐至4824.0 nm，覆盖范围达180 nm。4824 nm是目前石英基光纤激光器的最长输出波长，体块石英玻璃在这一波长的吸收损耗高达13, 000 dB/km。在将泵浦源波长调谐至一氧化碳气体的R（7）吸收线时，获得了约46 mW输出。由于一氧化碳气体分子本身的能级跃迁特性以及空芯光纤的单模传输特性，在最高功率下保持良好的光束质量，M2因子约为1.11。

图5 （a）空芯光纤一氧化碳气体激光器结构；（b）输出光谱；（c）R（7）泵浦线下的输出功率曲线；（d）最高功率下光束质量

04总结与展望

本工作首次将一氧化碳气体充入反谐振空芯光纤中，实现了4.8 μm波段中红外激光输出，这是目前已报道的连续波石英基光纤激光最长输出波长。一氧化碳气体具有极为丰富的能级结构。除去本研究所采用的第一泛频吸收线，一氧化碳气体的第二至第四泛频吸收线与Yb、Er等成熟的实芯石英光纤激光器相匹配。同时结合更为先进的嵌套型或软玻璃空芯光纤，空芯光纤一氧化碳气体激光有望实现更长波长输出。

国防科技大学李炫熹博士生、杨林永助理研究员和周智越助理研究员为共同第一作者，王泽锋教授为论文通讯作者。该工作获得国家自然科学基金和湖南省自然科学基金优秀青年科学基金等项目支持。低损耗空芯光纤的制备得到宁波艾菲博公司的帮助。