基于空芯光纤的光泵浦4 μm连续波HBr气体激光器 
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1 引言
中红外激光波长涵盖了大多数分子振动吸收峰,在**、生物医疗及大气通信等领域有重要的应用价值和广泛的应用前景[1-2]。到目前为止,已经有很多方案被用于产生中红外激光,其中基于掺稀土离子玻璃光纤的中红外激光器具有结构紧凑、光束质量好、转换效率高、散热方便等特点,被认为最有发展潜力[1]。常见的玻璃光纤材料有三类:硅酸盐玻璃、氟化物玻璃和硫系玻璃,其中硅酸盐光纤具有损耗低、性能稳定、强度好、制备技术成熟等特点,已经被大量应用于近红外波段光纤激光器[2]。但是,硅酸盐玻璃最大的缺点在于声子能量高达1100 cm-1,对于波长大于2.2 μm的光有很强的吸收,导致传输损耗急剧增加[2]。氟化物玻璃和硫系玻璃由于具有更宽的传输带,比硅酸盐玻璃在中红外波段更有优势,但目前制备工艺还不成熟,而且材料昂贵、强度差、化学稳定性差,离实际应用需求还有较大差距 [2]。
表 1. 波长2 μm以上掺稀土离子连续光纤激光特性
Table 1. Characteristics of rare-earth-doped CW fiber lasers with emission wavelength above 2 μm
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气体激光器是实现中红外激光输出的另一种重要途径,具有易于产生高功率、输出波长范围广泛等特点。但是传统的中红外气体激光器一般体积较为庞大,效率不高。空芯光纤(HCF)的出现,特别是在中红外波段具有较低传输损耗的反共振空芯光纤[17],为实现气体激光输出提供了一种新思路。相较于传统的气体腔,空芯光纤将泵浦光约束在纤芯几十微米的区域内,泵浦强度提高了3~5个数量级,有效作用距离可增加1~2个数量级。和掺稀土离子光纤激光器相比,基于空芯光纤的气体激光器增益介质选择灵活得多,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,容易产生4 μm以上激光输出。近年来,基于空芯光纤的气体激光器被广泛研究,实现原理主要包括基于气体分子本征吸收跃迁和受激拉曼散射两种。其中,C2H2、CO、CO2、N2O、I2等气体已经被充入空芯光纤作为增益介质,通过粒子数反转实现激光输出[17-25],而CH4、C2H6、H2、D2等气体则常被用作空芯光纤中的拉曼增益介质,通过受激拉曼散射实现激光输出[26-32]。而本文关注的HBr气体,是传统气体激光器的一种重要增益介质,主要用于产生4 μm波段激光输出。到目前为止,已经报道的HBr气体激光器体积都比较庞大,作用距离较短,全部为脉冲激光输出[33-36]。1994年,Miller等[33]首次报道了光泵浦的HBr气体激光器,该激光器以Nd∶YAG抽运的2 μm 脉冲OPO激光器作为泵浦源,通过P支泛频吸收,基频跃迁产生4 μm的中红外单脉冲输出功率为0.85 mJ,转换效率为24%。2004年,New Mexico大学利用1.34 μm调Q的Nd∶YAG固体激光器泵浦HBr气体,通过级联跃迁产生了4 μm激光输出[34]。2009年,南非国家激光中心利用掺铥光纤泵浦的Ho∶YLF晶体激光作为泵浦源,得到了目前HBr气体激光器最大的单脉冲能量2.5 mJ[35]。2014年,南非国家激光中心再次报道了以Ho∶YLF激光器泵浦的HBr气体激光器,并利用腔内闪耀光栅实现了3.87~4.45 μm一共19个中红外波长的调谐输出,在4.133 μm获得了2.4 mJ最大单脉冲输出[36]。
本文首次将HBr气体充入空芯光纤中,以自行搭建的窄线宽可调谐2 μm掺铥光纤放大器为泵浦源,实现了连续波4 μm波段的中红外激光输出。实验中,选择HBr气体吸收强度较大的一阶泛频R(2)吸收线1971.7 nm作为泵浦波长,振动基态v=0的HBr分子吸收能量跃迁至v=2的振动激发态,然后激发态v=2和振动态v=1之间形成粒子数反转,通过能级跃迁选择定则同时产生对应R(2)和P(4)激光发射线的3977.2 nm和4165.3 nm两条输出谱线,并在6.2 mbar获得了最大125 mW的输出功率,相对于耦合进空芯光纤的泵浦功率,光光转换效率约为10%。
2 基本原理
HBr分子在自然界中存在H79Br和H81Br两种同位素,其比例大致相当,分别为50.5%和49.5%[33],同位素相同能级之间失配约为50 GHz[33]。HBr分子产生4 μm波段激光的能级跃迁过程如
图 1. HBr分子的特性。(a) HBr分子产生4 μm波段激光的能级跃迁示意图;(b) H79Br分子在2 μm波段的吸收谱;(c) H79Br分子在4 μm波段的发射谱
Fig. 1. Characteristics of HBr. (a) Schematic diagram of energy level transition of HBr molecules depicting 4 μm laser; (b) absorption spectrum of H79Br molecules at 2 μm band; (c) emission spectrum of H79Br molecules at 4 μm band
表 2. H79Br在2 μm波段的吸收谱线和相应的4 μm波段激射波长
Table 2. Absorption lines at 2 μm band and corresponding emission lines at 4 μm band of H79Br
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事实上,除了R支吸收线,P支吸收线也能选做泵浦波长,具有类似
式中:EJ是某一能级上的能量;k是玻尔兹曼常数;T是温度。
从(1)式可以看出,随着转动量子数J的增加,能级上的粒子数先增大后减小。对(1)式进行微分,可以进一步得到具有最大粒子数的J值[37]
式中:h是普朗克常数;c是光速。因此,在较大或者较小J值间的能级跃迁强度较小,而在(2)式得到的J值附近能级跃迁强度较大。
实验中选择的泵浦源波长是1971.7 nm的R(2)吸收线,具有相对较大的吸收强度,有利于与HBr分子的相互作用。利用HITRAN数据库,可以进一步得到具体的可供选择的泵浦波长和相应的发射波长,如
3 实验装置
3.1 可调谐窄线宽2 μm光纤泵浦源
实验中使用的泵浦源是一个自行搭建的连续波可调谐窄线宽2 μm掺铥光纤放大器,其结构如
泵浦源的输出中心波长可以通过1971 nm单频种子源的电压来控制温度调节,由于调节的具体电压未知,用归一化电压代替,在不同的电压条件下,采用光谱分析仪(AQ6375, YOKOGAWA, 日本,最大分辨率为0.05 nm)测得的泵浦源输出光谱结果如
图 3. 可调谐2 μm光纤泵浦源输出特性。(a)可调谐输出光谱;(b) R(2)吸收线附近的光谱细节图;(c)中心波长随归一化调节电压的变化;(d)输出功率随793 nm半导体激光器功率的变化
Fig. 3. Output characteristics of the tunable 2 μm fiber pump source. (a) Tunable output spectrum; (b) fine spectrum at R(2) absorption line; (c) measured wavelength change with the normalized tuning voltage; (d) output laser power change with the power of 793 nm LD
由于气体分子的吸收线宽非常窄,因此对泵浦源的线宽要求很高。实验中,采用法布里-珀罗(F-P)干涉腔对输出的1971 nm泵浦激光线宽进行了测量,装置如
式中:RFSR为自由光谱范围,实验中使用的F-P干涉仪的RFSR为1.5 GHz,可以得到泵浦源线宽约为23 MHz(种子源的线宽小于100 kHz)。
图 4. 泵浦源线宽特性。(a) F-P干涉仪测量泵浦源线宽实验结构图;(b)线宽测量结果
Fig. 4. Characteristics of the pump laser linewidth. (a) Experimental setup for the measurement of the pump laser linewidth by F-P interferometer; (b) measured results of laser linewidth
3.2 单程空芯光纤HBr激光器实验系统
实验系统如
图 5. 实验装置(插图为空芯光纤横截面电镜图)
Fig. 5. Experimental setup (inset is the electron micrograph of hollow fiber cross section)
4 实验结果与分析
4.1 HBr吸收线宽与泵浦源波长稳定性
气体分子的吸收线宽主要由碰撞展宽和Doppler展宽决定,低气压下一般在几百MHz量级[17]。利用可调谐窄线宽的泵浦源可以测量空芯光纤中的HBr气体的吸收线宽,当泵浦源注入功率为140 mW时(未达到激光阈值,不产生4 μm激光),逐点调谐泵浦源中心波长扫描R(2)吸收线,记录每个波长对应的输出功率,结果如
由于气体吸收线宽非常窄,为了获得有效稳定的中红外激光输出,除了要求泵浦激光线宽不能太宽(与气体分子吸收线宽相当或更窄)以外,对波长稳定性要求也很高,否则就可能漂移出气体分子的吸收带。实验中,在测量气体吸收线宽的同时也利用
图 6. HBr吸收线宽及泵浦源波长稳定性。(a)测得的1.8 mbar和4.1 mbar HBr分子R(2)吸收线线宽;(b)泵浦源波长在R(2)吸收线中心时残余的泵浦光随时间的变化
Fig. 6. Absorption linewidth of HBr and the wavelength stability of pump source. (a) Measured HBr molecule absorption linewidth around R(2) absorption line at 1.8 mbar and 4.1 mbar; (b) residual pump power with respect to time when tuned at center of R(2) absorption line
同样条件下,若将泵浦源的波长调节到R(2)吸收线外,此时残余的泵浦功率稳定为28 mW。从
4.2 输出光谱
图 7. 输出的4 μm光谱图(插图为R(2)吸收线产生P(4)和R(2)发射线的能级跃迁图)
Fig. 7. Output 4 μm spectrum(inset is energy transition diagram of HBr for P(4) and R(2) emissions when pumped at R(2) absorption line)
4.3 输出功率
在不同的HBr气压条件下,测得的4 μm输出功率随总入射泵浦光功率的变化如
图 8. 4 μm激光输出功率特性。(a)不同气压下4 μm输出功率随入射泵浦光功率的变化;(b)不同气压下转化效率随入射泵浦光功率的变化;(c)不同气压下4 μm输出功率随耦合的泵浦光功率的变化;(d)不同气压下转化效率随耦合的泵浦光功率的变化;(e)被吸收的泵浦光功率随耦合泵浦光功率的变化;(f)被吸收的泵浦光功率和最大输出的4 μm激光功率随气压的变化
Fig. 8. Characteristics of 4 μm laser output power. (a) Measured output 4 μm power and (b) optic-to-optic efficiency varies with incident pump power at different pressures; (c) measured 4 μm power and (d) optic-to-optic efficiency varies with coupled pump power at different pressures; (e) absorbed pump power as a function of coupled pump power; (f) measured absorbed pump power and the maximum output 4 μm laser power as a function of HBr pressures
5 结论
首次实现了基于空芯光纤的中红外HBr激光输出。利用自行搭建的窄线宽可调谐2 μm掺铥光纤放大器泵浦充有低压HBr气体的4.4 m反共振空芯光纤,当泵浦波长精确对准同位素H79Br的R(2)吸收线1971.7 nm时,实现了4 μm波段的中红外激光输出,包括R(2)激射线3977.2 nm和P(4)激射线4165.3 nm两条谱线。当HBr气压为6.2 mbar时,最大激光功率为125 mW,光光转换效率为10%(相对于耦合进空芯光纤的泵浦功率)。通过改善空芯光纤传输损耗谱、提高泵浦光耦合效率、进一步优化光纤长度和气压,中红外激光效率和输出功率有望大幅提升。此外,下一步若采用脉冲光泵浦,可以进一步观测HBr分子驰豫情况,研究其分子动力学过程,有望实现HBr激光的大范围调谐。
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