【光学前沿】3.1µm线性腔高功率空心光纤气体激光器取得突破与创新

    在激光技术的不断演进中，中红外空心光纤气体激光器基于气体分子粒子数反转机制近年来取得了显著发展。而如今，一项令人瞩目的研究成果为这一领域带来了新的突破。

    一、研究成果
    1.连续波激光器
    研究团队成功实现了3.1µm高功率连续波激光器。在3mbar乙炔气压力和26W有效泵浦功率下，输出功率达8.23W，斜率效率为31.8%。其光束质量优异，Mₓ²=1.18和Mᵧ²=1.15。与此前指标相比，功率高出三个数量级以上，斜率效率提高四倍，这无疑是一项重大的飞跃。
    2.自调Q脉冲激光器
    在50毫巴乙炔气压和11.7瓦有效泵浦功率下，实现了输出功率为1.98瓦的自调Q脉冲。脉冲重复率为4.59兆赫，脉冲宽度为45纳秒，峰值功率为9.58瓦。

    二、深入的研究背景
    大多中红外空心光纤气体激光器采用单程无腔结构，在此基础上，本次研究人员创新性地使用线性腔空心光纤气体激光器进行深入探索。

    三、精密的实验装置
    1.泵浦源
    采用自制的30W单频光纤激光器，波长为1.535µm，最大输出功率为32W。中心波长可在1534.71-1535.44nm之间调节，调谐精度高达1pm，测量的线宽小于100MHz。
    2.气室
    选用芯径为120µm的8管嵌套空心反谐振光纤，两端密封在气室内。0°空心光纤端面压在输入和输出窗口上，输入和输出窗口分别涂有二向色镜和未涂层的氟化钙窗口。
    3.其他
    输出端放置中红外带通滤光片，乙炔气体以相反方向引入以减轻热效应。

    四、独特的工作原理
    1.能级跃迁
    当乙炔分子P(17)吸收线被激发时，可从基态旋转态到振动态旋转态，生成两条中红外激光发射线。分别指ν₁+ν₃的J=16旋转状态到ν₁的J=15和J=17旋转状态。P(17)发射线强度随气压增加而增强，R(15)线强度降低，在50毫巴气压下R(15)线被完全抑制。
    2.压力影响
    嵌套空心反谐振光纤内最佳气体压力为3mbar。低于此压力，气体分子无法吸收足够泵浦激光提供足够增益；气压增加会提高泵浦激光吸收率，但过高气压会使激光功率降低。
    3.腔振荡验证
    3.1µm连续波激光器频谱呈现周期性趋势，间隔对应空心光纤腔纵向模式间距，表明有典型腔振荡特征，且相对强度噪音受泵浦功率影响。
    4.自调Q脉冲产生原因
    自调Q脉冲的产生来自气体的受激布里渊散射效应，其谐波频率有限归因于气体介质的有限增益带宽。