國(guó)防科技大學(xué)王澤鋒教授課題組與北京工業(yè)大學(xué)王璞教授、汪瀅瑩副教授研究團(tuán)隊(duì)合作，利用一個(gè)摻銩光纖放大的可調(diào)諧2 μm半導(dǎo)體激光器泵浦一段充低壓二氧化碳?xì)怏w的反共振空芯光纖，實(shí)現(xiàn)了單程結(jié)構(gòu)百毫瓦級(jí)4.3 μm光纖激光輸出，為已知報(bào)道的連續(xù)波光纖激光輸出的最長(zhǎng)波長(zhǎng)（超連續(xù)譜激光除外）。

“2019中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”候選推薦

中紅外激光（3~5 μm波段）在空間通信、遙感、光電對(duì)抗、醫(yī)療、大氣監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。目前報(bào)道的產(chǎn)生中紅外激光的方式主要有氣體激光器、固體激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、超連續(xù)譜激光器和摻雜稀土離子的光纖激光器。其中，光纖激光器最有希望實(shí)現(xiàn)緊湊、穩(wěn)定、高效的中紅外激光輸出。

傳統(tǒng)的熔石英光纖在2.2 μm以下的近紅外波段有著廣泛的應(yīng)用，但是其對(duì)波長(zhǎng)2.2 μm以上的激光具有很強(qiáng)的吸收，損耗急劇增大。要有效產(chǎn)生2.5 μm以上的激光，通常采用在中紅外波段具有較低傳輸損耗的氟化物玻璃光纖和硫系玻璃光纖。然而這些軟玻璃光纖的制備工藝還不成熟，目前損耗還比較高。同時(shí)，由于軟玻璃的熔點(diǎn)較低、熱穩(wěn)定性差，在高功率輸出方面受到很大限制。此外，受稀土離子種類的限制，基于摻雜光纖的激光輸出波長(zhǎng)范圍非常有限，而且難以超過(guò)4 μm，目前報(bào)道的最長(zhǎng)波長(zhǎng)為3.92 μm。

氣體激光器早已被證明是產(chǎn)生中紅外激光的有效方式，尤其是近年來(lái)被廣泛研究的基于空芯光纖的光泵浦氣體激光器。相較于傳統(tǒng)的氣體腔，空芯光纖可以在很長(zhǎng)的一段距離上將增益氣體和泵浦光束約束在幾微米至幾十微米纖芯區(qū)域內(nèi)，極大增強(qiáng)了光與氣體的相互作用。和摻雜稀土離子光纖激光器相比，空芯光纖氣體激光器的增益介質(zhì)選擇具有更高的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)更多的激光波長(zhǎng)，而且容易產(chǎn)生4 μm以上激光輸出。在空芯光纖中，基模邊緣場(chǎng)強(qiáng)比中心最高的場(chǎng)強(qiáng)至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)纖芯模和包層玻璃材料重疊面積很小甚至可以忽略，因此空芯光纖氣體激光器的損傷閾值大大增加，而且氣體還可以通過(guò)某種方式循環(huán)散熱，使得光纖氣體激光器在高功率輸出方面具有極大的潛力。此外，由于氣體的非線性效應(yīng)很弱，光纖氣體激光器在高功率情況下保持窄線寬激光輸出方面相對(duì)實(shí)芯摻雜光纖有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）輸出光譜圖；（c）5 mbar氣壓下4 μm輸出功率隨吸收泵浦功率的變化。

在該項(xiàng)工作中，反共振空芯光纖由北京工業(yè)大學(xué)王璞教授、汪瀅瑩副教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)拉制，國(guó)防科技大學(xué)王澤鋒教授課題組采用自研的2 μm窄線寬光纖放大器作為泵浦源，利用二氧化碳?xì)怏wR(30)吸收線的能級(jí)躍遷，得到了4.3 μm波段R(30)和P(32)兩條激光譜線輸出，輸出功率為82 mW，激光效率約19.3%。實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果如圖1所示

相關(guān)成果以4.3 μm fiber laser in CO2-filled hollow-core silica fibers為題發(fā)表于Optica [6(8)，951-954 (2019)]。論文第一作者為國(guó)防科技大學(xué)碩士研究生崔宇龍，通訊作者為國(guó)防科技大學(xué)王澤鋒教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省自然科學(xué)基金杰出青年基金的資助。