【资讯】北京工业大学：失谐泵浦，让4.3 μm波段空芯光纤气体激光器迈向10瓦级

       3-5 μm波段的中红外激光在大气通信、气体探测、光电对抗、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。空芯光纤气体激光技术作为产生中红外激光的新方式，利用石英基的空芯光纤替代传统气体激光器的“气体腔”，在微米量级的空间尺度内将激光与气体的相互作用距离大幅度延长，降低了传统光泵浦气体激光器的发光阈值，提高了转化效率。同时，空芯反谐振光纤具有可柔性传输、低传输损耗、高抗光伤阈值、高光束质量等优势，为高功率中红外激光的产生奠定了基础。其中，4.3 μm波段是二氧化碳（CO2）分子的典型发射波段，该波段的高功率窄线宽纳秒激光在光电对抗等领域具有应用需求。然而，CO2分子在高功率激光泵浦下存在气体增益饱和、自吸收等问题，这限制了激光功率的提升。

       针对上述挑战，北京工业大学王璞教授课题组，通过偏离吸收峰泵浦的方式成功抑制了CO2气体的增益饱和，实现了4.3 μm波段10 W级的纳秒脉冲输出。其核心思路为：在高功率激光泵浦下调谐泵浦激光波长偏离CO2吸收峰，通过牺牲泵浦激光的吸收效率，减轻CO2分子热效应和碰撞的影响，实现气体反转粒子数的净增加，提升激光输出功率。

       成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2026年第3期的文章（Weihua Song, Yongkai Huang, Danjing Luo, Qian Zhang, Xin Zhang, Pu Wang, "Ten-watt-level 4.3 m-band nanosecond pulse generation in CO?-filled hollow-core fibers," High Power Laser Sci. Eng. 14, 03000e43 (2026)）。

       CO2填充空芯反谐振光纤光源实验装置如图1所示。实验自主构建了2 μm波段百瓦级的单频纳秒脉冲光纤激光器作为泵浦源，激光器能够在重复频率10 MHz，脉冲宽度37 ns下实现125 W输出。利用6.8 m长，纤芯直径150 μm的嵌套式空芯反谐振光纤作为气体腔，该光纤采用大纤芯结构设计，不仅提升了单位长度内气体分子的数目、提高了光纤的增益，还通过多模结构设计将泵浦激光的耦合效率提升至90%以上，降低高功率耦合热效应影响。

图1 (a) CO2填充空芯反谐振光纤光源实验装置；大模场嵌套式空芯反谐振光纤的(b) SEM图； (c) 传输损耗

       如图2所示，通过优化 CO2气压和泵浦波长失谐量，CO2填充空芯反谐振光纤激光器在5.2 mbar 气压下和125 W泵浦功率下，实现了平均功率10.27 W、单脉冲能量1.027 μJ、脉宽29 ns的 4.3 μm波段激光输出。偏离吸收峰泵浦后，激光器的输出功率和光-光转化斜效率分别提升了11.75 % 和2.52 %。 此外，如图3所示，通过调谐泵浦波长，气体激光可以在4290.96 nm~4395.25 nm范围内实现阶跃式调谐，并且中红外信号光具有优异的光束质量（M2<1.5），表现出良好的中红外光源实用化潜力。

图2 (a) 中红外激光输出功率随泵浦波长失谐变化；(b) 泵浦波长失谐与未失谐下，中红外CO2填充空芯光纤光源在不同气压下的输出功率；(c) 中红外CO2填充空芯光纤光源输出功率斜效率曲线

图3 (a) 中红外激光波长调谐范围；(b) 中红外激光光束质量

参考文献： 中国光学期刊网

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