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粒子数反转和受激拉曼散射是实现光纤气体激光器输出的最常见的两种基本原理。与光纤气体拉曼激光光源不同,基于粒子数反转原理的光纤气体激光器是通过气体分子振转能级的本征吸收跃迁实现激光输出。由于绝大多数气体分子的振转能级对应的激射跃迁谱线都在中红外波段,这种激光器的输出波长基本都在中红外波段。简要分析了基于粒子数反转原理的光纤气体激光器在产生中红外波段激光方面的优势,重点回顾了其发展历史与研究现状,并对下一步的发展趋势进行了展望。
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第
48
卷
第
4
期
/
2021
年
2
月
/
中国激光
特邀综述
光纤气体激光光源研究进展及展望
(
Ⅱ
):
基于粒子数反转
王 泽 锋
,
,
,
周 智 越
,
崔 宇 龙
,
黄 威
,
李 智 贤
,
李 昊
国防科技大学前沿交叉学科学院
湖南 长沙
脉冲功率激光技术国家重点实验室
湖南 长沙
高能激光技术湖南省重点实验室
湖南 长沙
摘要
粒子数反转和受激拉曼散射是实现光纤气体 激光 器输 出 的最 常见 的 两种 基本 原 理
与 光纤 气体 拉 曼激 光
光源不同
基于粒子数反转原理的光纤气体激光器是通过气体分子振转能级的本 征吸 收跃迁 实现 激光输 出
由于
绝大多数气体分子的振转能级对应的激 射跃 迁 谱 线都 在 中 红 外波 段
这 种 激光 器 的 输 出波 长 基 本 都在 中 红 外 波
段
简要分析了基于粒子数反转原理的光纤气体激光器在产生中红外波段激光方 面的 优势
重点 回顾 了其发 展历
史与研究现状
并对下一步的发展趋势进行了展望
关键词
激光器
红外和远红外激光器
分子气体激光器
空芯光纤
中图分类号
文献标志码
doi
.
CJL.
引
言
基于空芯 光 纤
的 气 体 激 光 器 是 随 着 空
芯光纤的出现而发 展起来的 一 类新型激 光 光源
它
结合 了 传 统 气 体 激 光 器 和 光 纤 激 光 器 的 许 多 优
点
近年来 得 到 了 广 泛 的 关 注
根 据 工 作 机
理
光纤气体激光器可分为两类
一类是基于分子振
转能级之间 的 本 征 吸 收 实 现 粒 子 数 反 转
另 一
类 是 基 于 气 体 分 子 的 受 激 拉 曼 散 射
效
应
相比于基于
效应的工作机理
基于 气
体分子振转能级的本征吸收实现粒子数反转所需的
泵浦阈值功率 低 得 多
更 容 易 实 现 连 续 激 光 输 出
由于绝大多数气体分子的振转能级激射跃迁对应的
波长都在中红外波 段
因此基于 粒 子数反转 的 光纤
气体激光器基本都工作在中红外波段
如图
所示
中红 外激光波长 位于大气窗 口
同时也涵盖 了
大多数分子的振动 吸收峰对 应 的波长
因此中红 外
激光在军事
生物医疗
安检及大气通信等领域有重
要的应用
一直以来都 是 国内外研 究 的热点
产生
中红外激光的方式有很多
总体上可分为两大类
一
类 是 利 用 增 益 介 质 的 激 射 直 接 产 生
线 性 方
法
另 一 类 是 利 用 非 线 性 光 学 效 应 产 生
前者包括了固体激光器
半导体量子级联激光器
自
由电子激光器
气体激光器和掺杂光纤激光器等
后
者主要包括光学参量振荡器
光学参量放 大
器
光 学 倍 频 激 光 器
激 光 器 倍 频
等
其中
基于掺稀土离 子 光纤的中 红 外激光器 由 于光
束质量好
稳定性高
转换效率 高 等优点
最有希望
实现便携
稳定
高效的中红外激 光输出
是国内
外关注的重点
但是
传统光纤 激 光器受限 于 受激
拉曼散射
受激布里渊散 射
热透镜效 应 等因素
可
达到的输出 激 光 功 率 上 限
远 低 于 气 体
激光器
此 外
最 常 见 的 光 纤 材 料
硅酸盐玻璃 的 声 子 能 量 高 达
对 于 波 长
大于
的 激 光 有 很 强 的 吸 收
这 导 致 其 损 耗
变得非常大
中 红 外 光 纤 激 光 器 一 般 采 用 具 有
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目
湖 南 省 自 然 科 学 基 金 杰 出 青 年 科 学 基 金 项 目
脉冲功率激光国家重点实验室主任基金项目
E-mail
特邀综述
第
48
卷
第
4
期
/
2021
年
2
月
/
中国激光
更宽传输带的氟化 物玻璃
碲化物玻 璃 和硫系玻 璃
光纤
但是目前它们 的 拉制工艺 远 没有达到 硅 酸盐
玻璃光纤的水平
同时还存在材料昂贵
化学稳定性
差
强度低
高 功 率 输 出 受 限 等 不 足
由 于 在 长
波段泵浦光子能量和产生激光光子能量之间的量子
亏损增加
掺杂光纤 激 光器连续 输 出的最大 功 率随
着发射波长的增加呈指数下降
此外
由于用于
产生中红外激光的稀土材料种类较少
主要包括铒
钬
铥和镝等几种
这极大限制了激光输出波长的拓
展
到目前为止
通过在室温下进行掺杂实现的中红
外光纤激光输 出的最长 波 长为
输 出 功 率
约为
气体激光 器 是实现中红外输出
的一条有效途径
但是传统 气 体激光器 系 统庞大笨
重
而且受气体腔 作用距离 的 限制
激光效率 较 低
空芯光纤
的 出 现 为 光 与 气 体 的 相 互 作 用 提
供了一个理想的环 境
大大促进 了 气体激光 器 的快
速发展
同时为解决传统光纤激光器在功率提升
波
长拓展等方面的技术瓶颈提供了一条非常有潜力的
解决途径
在空芯 光纤中
光场边缘 与 包层的玻 璃
材料少量重叠
而且 其 光场强度 比 中间空芯 区 域至
少小一个数量级
这使得激 光 对玻璃材 料 的损伤
阈值大大提升
因此 空 芯光纤具 有 比传统实 芯 光纤
大得多的功率输 出 潜力
此外
空芯光纤 中 填充的
气体具有原子分子 能级本征 特 性
无需额外 的 线宽
控制技术就可产生 线 宽非常窄
几百
的激光
输出
相比实芯光纤 在 高功率下 保 持激光线 宽 方面
有很大优势
本文简要介绍了基于粒子数反转的光纤气体激
光器的技术特征
在产生中 红 外波段激 光 方面的优
势和基本工作原理
详细回顾 了 其发展历 史 与研究
现状
并对下一步发 展 趋势和需 要 解决的关 键 技术
进行了展望
基本原理
21
增益气体及能级跃迁
与固 体增益介质 不同
气体分子的 振转能级结
构跃迁决定了其增益谱由一些窄带的吸收跃迁谱线
组成
每一条吸收谱线的线宽由自然展宽
碰撞展宽
和多普勒展宽共同 决定
其中前两 种 展宽是均 匀 展
宽
而多普勒展宽是非 均 匀展宽
在大多数 实 际情
况下
由自发辐射引起的自然展宽可以忽略
碰撞展
宽和 多 普 勒 展 宽 共 同 决 定 了 气 体 分 子 的 吸 收 线
宽
对于低 气 压
量 级 及 其 以 下
的 增 益
气体介质
气体分子的吸收线 宽在几百
量级
因此泵浦激光的线 宽不能太 宽
至少要与 气 体分子
的吸收线宽在同 一 量级
才能确保 有 效的吸收
理
论上
只要使用的空 芯 光纤能够 同 时传输泵 浦 光和
产生的激光
传统气 体 激光器都 可 以在空芯 光 纤中
实现
此外
由于空芯光纤的作用距离更长
泵浦强
度更强
一些吸收发射截面很小的气体介质
也可以
在空芯光纤中实现 激光输出
这使得光 纤 气体激光
器的增益介质选择 更丰富
从而可以 获 得更多的 激
光波长
如图
所示
图
常见的光纤气体激光器和光纤激光器可产生的激 光
波段对比
利用
数据库
表
给 出 了 室 温 和
一个标准大气压的条件下中红外光纤气体激光器中
使用的一些常见增益气体介质及其不同的吸收泵浦
波段
对 应 产 生 的 激 光 波 段 等 参 数
其 中
v
表 示 气
体分子的振动态
双原子分子仅有一个振动态
非双
原子分子有多个 振 动态
用下标加 以 区分
光谱线
强度代表了对应谱 带的最大 光 谱线强度
一定程度
上反映了使用不同气体实现激光输出的难易程度
气体 分子同时发 生振动和转 动
有不同的振 动
态即振动能级
每一 个 振动态上 的 分子转动 引 起了
一系列转动态
用 转 动 量 子 数
J
表 示
相 邻 转 动 态
能级之差为
B
J
其中
B
是某一振动 态下
的转动常数
所以随着转动量子数的增加
相邻转动
态能级之差越来越大
下面以已经实现了中红外光
纤气体激光器输出的
和
气体为例
介绍
能级跃迁过程
如图
所示
当
分子被
i
吸收线泵浦
其从
v
振动基态上
J
i
的转动态跃
迁到上能级
v
v
振动态上
J″
i
的转动态
根据玻尔兹曼分布
在常温下 除 了
v
的振动基 态
其他振动态上的粒子数几乎为
上能级
v
v
振
动态和下能级
v
振动态形 成 了粒子数 反 转
根据
跃迁 选 择 定 律
J
J
对 应
支
J
对 应
支
其 中
J
指 的 是 上 转 动 能 级 与
特邀综述
第
48
卷
第
4
期
/
2021
年
2
月
/
中国激光
表
中红外光纤气体激光器中常见气体介质及相关参数
λ
λ
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
图
能级跃迁示意图
分子
支吸收线泵浦的能级跃迁示意图
分子
支吸收线泵浦的能级跃迁示意图
下转动能级之差
激发的上 能 级
v
v
振动态粒
子跃迁到
v
振动态上
J'
i
和
J'
i
的 转 动
态
分别 发 射 出
i
和
i
两 条 激 光 跃 迁 谱
线
其中
i
和
i
表示跃迁下能级的转动量子数
如图
所示
跃迁到
v
振动态的粒 子通过碰撞
引起的振动弛豫
非辐射跃迁
跃迁回
v
振动基态
而当
分子被
i
吸收 线泵浦
其从
v
振动基
态上
J
i
的转动态跃迁到上能级
v
v
振动态
上
J″
i
的转动态
上能级
v
v
振动态和
下能级
v
振动态 形成了粒 子 数反转
激发的上 能
级
v
v
振动态粒子跃迁到
v
振动态上
J'
i
和
J'
i
的转动态
分别发射出
i
和
i
两条激光跃迁谱线
如图
所示
v
振动态上
的粒子同样通过碰撞引起的振动弛豫
非辐射跃迁
跃迁回振动基态
22
典型实验系统
目前
基于粒子数 反转的光纤 气体激光实 验系
统基本都是采用图
所示的单 程 结构
该结构与 典
型的光纤气体拉曼 激光实验 系 统类似
泵浦光通 过
反射镜
凸透镜等常 见 的光学元 件 耦合进入 密 封在
气体腔里的空芯光 纤中
空芯光纤 在 泵浦光波 段 和
产生的激光波段都 有较低的 传 输损耗
气体腔含 有
在相应激光波段高 透 过率的输 入 或输出玻 璃 窗口
通过气体腔可以对空芯光纤进行抽真空和充入所需
气压的增益气体介质
图
所示的实验系统未使用
反馈装置
是无谐振腔 的 单程结构
气体分子 能 级
跃迁的特殊性使其 吸 收线宽和 激 射线宽都 非 常窄
再加上空芯 光 纤 中 泵 浦 光 与 气 体 的 作 用 距 离 非 常
长
提供的增益足够大
因此在空芯光纤中很容易对
自发辐射
产生的信 号 光进行受 激 放大
即实
现无谐振腔的激光器
由 于 输 出 光 同 时 包 含 产
生的激光和残余的 泵浦光
输出端会 使 用一个带 通
滤波片来滤除残余的泵浦光
基于粒子数反转的光纤气体激光器与基于受激
拉曼散射的光纤气 体激光器 虽 然结构类 似
但是由
于产生激光的原理不一样
实际上二者有很大区别
一方面
两个系统的气压差别很大
受激拉曼散射一
般需 要 很 高 的 气 压
几
至 几 十
而基于粒 子 数反转的 激 光 器 只 需 要 低 气
压
量 级
这 就 要 求 系 统 为 真 空 系 统
而 且
特邀综述
第
48
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第
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/
2021
年
2
月
/
中国激光
图
基于粒子数反转的光纤气体激光器示意图
基于粒子数反转的激光器对系统的气密性要求非常
高
另一方面
两个 系 统对泵浦 源 的要求也 有 很大
区别
基于受激拉曼 散 射的光纤 气 体激光器 因 受激
拉曼散射阈值很高
需要高峰值功率的泵浦源
但是
该系统对波长稳定 性和线宽 要 求不是很 高
对于基
于粒子数反转的光 纤气体激 光 器
粒子数反 转 是通
过气体分子的本征吸收实现的
阈值比较低
但是该
系统要求泵浦波长 要与吸收 谱 线中心精 确 匹配
而
且对波长稳定性和 线宽要求 非 常高
以实现有 效 的
激光输出
此外
由于基于 粒 子数反转 的 光纤气体
激光输出波长大多 位于中红 外 波段
而泵浦激 光 一
般都在近红外波段
这就要求 空 芯光纤的 传 输带跨
度比较大
特别要求 在 中红外波 段 要有较低 的 传输
损耗
因此空芯光纤的设计与制备难度更大
研究进展
空芯光纤的出现为光与气体分子间的相互作用
提供了一个近乎理 想的环境
大大促进 了 光纤气体
激光器的发展
空芯光纤纤芯区域可以填充不同的
气体增益介质
产生的激光波段范围十分丰富
相较
于掺杂实芯光纤的 激光器
基于空芯 光 纤的激光 器
能 够 有 效 地 产 生 更 长 波 段 的 中 红 外 激 光 输 出
同时
空芯光纤可以有效 地将光约束 在
微米尺度的纤芯中
具有极高的泵浦强度
同时提供
非常长的光与物质 的相互作 用 距离
可大大降 低 激
光阈值
提高转换效率
基于空芯 光 纤的气体 激 光
器具有基于实芯光 纤的激光 器 的结构紧 凑
光束质
量好
转换效率高等特点
同时结合了气体激光器的
输出波长丰富
波长选择 灵 活
损伤阈值 高
非线性
效应小等优点
是实现高 功 率
窄线宽
高光束质 量
的中红外波段光纤激光输出的一种非常有潜力的技
术途径
具有广泛的应用前景
近年来
随着空芯光
纤的快速发展
特别是随着反共振空芯光纤的制备工
艺水平不断提升
基于乙炔
二氧化碳
一氧化碳
溴
化氢
一氧化二氮
碘化氢等气体的光纤气体激光器
均已有报道
下面按照增益气体介质类别进行介绍
31
乙炔激光器
年
等
首 次 报 道 了 基 于 粒 子 数 反
转的充乙炔的 中 红 外 光 纤 气 体 激 光 器
如 图
所
示
实验中利用一个中心波长为
的光学参
量振荡器
脉冲泵浦源
脉宽
泵浦一段
充有低气压乙 炔气体的
空芯光纤
分别在
和
处 产 生 了 激 光 辐 射
当 气 压
为
时
获 得 了 最 高 为
的脉冲激光能量
但系统的 斜 率效率只 有 百分
之几
这主要受限于 空 芯光纤在 产 生激光波 段 时的
传输损耗
文 章 指 出
通 过 选 择 合 适 的
气体介质
并通过合理设计空芯光纤
可使泵浦波段
和激光波段的传输 损耗都较 低
从而可以 进 一步得
到其他技术难以获得的激光波段
年
等
进一步研究了充乙 炔
一氧
化碳等气体的
空芯光纤气体激光器的输出
特性
利用
波段
脉宽的光学参量放大
器
泵浦气体介质
通过一阶振 转泛频吸收 实
现粒子数反转
该过程减小了空芯光纤的传输损耗
基于乙炔的激光器的最大 输 出脉冲能 量 为
转换效率约为
同 年
等
发 表
综述文章
详细分析了光纤气体激光器的优势
并通
过实验研究了不同纤芯直径的光纤
具有不同损耗
和光纤长度对输出激光能量的影响
在
气压
获得了最高
的光光转换效率
该值接近该类系
统的理论极限值的
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