打破传统石英光纤局限！中红外激光输出的“空芯”解决方案

本封面的核心元素是两段空芯光纤，分别代表了两种工作原理的HCFGL。空芯结构提供了光与气体介质相互作用的理想环境，周围的CO?、HBr等分子是光纤内的增益气体，基于粒子数反转原理可实现3.1~4.8 μm中红外波段的激光输出；文字“Visible to mid-IR”则体现基于受激拉曼散原理实现宽波段输出的能力。封面所展示的技术结合了光纤激光器和气体激光器的优点。

1.背景介绍

光纤激光器凭借光束质量好、效率高、结构紧凑等诸多优势已广泛应用于多个领域，基于Yb3+、Er3+、Tm3+三种主流的稀土离子掺杂，其发展主要集中在1 μm、1.5 μm和2 μm波段。由于石英光纤声子能量等因素的限制，光纤激光器在其他波段、特别是中红外波段的波长拓展以及功率提升发展受限。

空芯光纤（HCF）作为一种新型光纤将光场主要限制在空芯区域传输，大幅降低与基质材料的重叠，具备低损耗、低非线性、高损伤阈值等优势；其既能高效低损耗传输激光，又为光与气体相互作用提供了理想环境。

在此基础上发展的空芯光纤气体激光（HCFGL），融合了光纤激光器与气体激光器的核心优点，为传统实芯光纤激光实现波长拓展、以及功率提升提供了全新解决路径，有望在空间通信、材料加工、生物医疗和光电对抗等领域发挥重要作用。

2.关键技术发展

HCF迅速发展，窄线宽光纤激光泵浦源性能日益提升，HCF耦合技术不断突破，为HCFGL的发展提供了强大动力。

2.1 低传输损耗空芯光纤的发展

如今HCF在多个波段的传输损耗已突破实芯光纤的极限，HCF性能的提升极大程度地促进了HCFGL的发展。在500~600 nm可见光波段，HCF的传输损耗已经低至1 dB/km；1.5 μm通信波段的传输损耗更是仅有惊人的0.091 dB/km，打破了传统实芯光纤的损耗极限；尽管声子能量对长波长激光损耗较大，但HCF在中红外波段的低损耗也达到了18 dB/km（@3.16 μm）。

2.2 窄线宽光纤激光泵浦源发展

1 μm、1.5 μm和2 μm波段的窄线宽光纤激光是HCFGL常用的泵浦源。基于Yb3+掺杂光纤，1 μm波段窄线宽光纤激光的高功率已突破7 kW；掺铥光纤激光器是产生2 μm窄线宽光纤激光的主要手段，其高输出功率也已达到2 kW；1.5 μm光纤激光的功率水平虽不及二者，目前也能实现数百瓦功率输出。

2.3 空芯光纤耦合技术的发展

能否实现空芯-实芯低损耗、高效率耦合是HCFGL往高功率、高效率发展的关键因素。目前主要的耦合方式包括空间耦合、拉锥耦合、熔接耦合等。空间耦合技术成熟，但是抗干扰能力较差；拉锥耦合能够提升系统的紧凑性和稳定性，但是工艺复杂、耐高功率能力差。熔接技术能实现低损耗高可靠性耦合，但是回光反射问题仍有待解决。

3. 空芯光纤气体激光进展

C2H2、HBr、CO等气体是基于粒子数反转的HCFGL常见增益气体。得益于这些气体分子的吸收/发射特性，该类HCFGL输出中红外波段激光有着得天独厚的优势。通过泵浦填充CO的HCF，HCFGL的最长输出波长已经突破4.8 μm，这是目前为止报道的石英基光纤激光器的最长输出波长，彰显了HCFGL的波长拓展能力；该类激光器在中红外波段的功率提升能力同样出色，基于C2H2和HBr粒子数反转的HCFGL分别在3.1 μm和4.16 μm处实现了21.8 W和10 W的连续波激光输出，21.8 W代表着该类HCFGL的高输出功率，而10 W则书写了4 μm以上光纤激光功率新纪录；通过HCF中HBr/CO两种气体混充，HCFGL实现了3808 nm到4842 nm的阶跃调谐激光输出，超过1000nm的跨度是目前光纤激光大的调谐范围，展现了HCFGL宽波段输出能力。

图1 基于粒子数反转的HCFGL代表性实验装置示意图和结果。(a) 4.8 μm空芯光纤CO气体激光；(b) 高功率空芯光纤C2H2气体激光；(c) 高功率空芯光纤HBr气体激光；(d) 大范围阶跃调谐输出的空芯光纤HBr/CO混充气体激光

基于SRS原理的HCFGL输出波长灵活，理论上可以实现任意波长的激光输出。H2、CH4、D2是此类激光器常见的气体，目前，该类HCFGL输出波长已覆盖紫外到中红外波段。2002年，该类HCFGL一次得到报道，利用HCF代替传统气体腔，将激光阈值降低了多个数量级，开辟了HCFGL新纪元（Benabid F, Knight J C, Antonopoulos G, et al. Science, 2002）；通过泵浦HCF中CH4和D2可以直接输出1.5 μm高功率、窄线宽激光，为光纤通信、遥感探测所需光源提供了新思路；通过CH4和D2气体级联转换或直接借助H2振动SRS过程，还可以有效输出中红外波段激光；该类HCFGL目前高输出功率已突破110 W，高功率输出潜力巨大。

图2 基于SRS的HCFGL代表性实验装置示意图和结果。(a) HCFGL；(b) 1.5 μm波段空芯光纤甲烷气体激光；(c) 级联结构的中红外波段HCFGL；(d) 110 W高功率HCFGL

4.总结与展望

HCFGL在激光波长拓展、功率提升等方面均表现出了巨大优势，为解决常规实芯光纤激光存在的技术瓶颈提供了全新思路。未来，围绕HCFGL的性能提升与实用化目标，可从多维度实现技术突破：降低HCF传输损耗、优化高功率窄线宽泵浦源性能、开发光谱合束技术，可将HCFGL输出功率推向新高度；深入研究气体分子物理特性、探索电激励等新型泵浦方式、尝试多气体混充，提升HCFGL波长拓展以及宽范围调谐能力；攻克空芯-实芯光纤低损耗高强度耦合难题，同步全光纤光电器件研发，加速HCFGL全光纤化进程。上述技术突破将为HCFGL综合性能突破以及其在光电对抗、激光通信、前沿光谱探测等领域的广泛应用筑牢根基。

参考文献： 中国光学期刊网

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