导师 简 介:陆 启生(1942—)男，教授博士生导师，主要从事高能激光技术、激光与物质相互作用等方面的研究

其对抽 运源指标 要 求比较高 ，所以发展 比 较缓慢直 到 最近又 偅 新迎来发 展 的巨大 机 遇。

本文 系统地综 述了光抽 运气体 激光器特 别是光抽 运中红 外气体激 光器的 原理、发 展历程。 通过对 其 20

世纪 70 年代、90 年代以及近年来 3个发展阶段特点的分析，总结了光抽运中红外气体激光器的重点和难点所

在最 后，基于近 两年 2μm 单 频 脉冲光纤 激光器的 飞 速发展提 出了一种 光 纤抽运的 中红外气 体 激光器。

光抽运气体激光器基本覆盖了紫外到毫米波段的光谱范围[ 1-2, 10]引起 了人 们 的 高 度 關 注 。 图 1所示为

光抽运气体激光器的波长覆盖范围[2]

图1光抽运气体激光器的波长覆盖范围

光抽运中红外气体激光器的增益介质为气态的分孓气体，包括强极性的双原子分子气体如卤化氢

CO2、NH3等多原子 分 子 气体。气 体 分子一般具 有 由振动量

数v和转动量子数 J决定的振转能级结构[17-1 8]如 图 2所示。振转能级结构中相邻振动能级基本等间距，又

由于振动的失谐性导致相邻振动能级间距的微小差异；存在基频跃迁、泛频躍迁两种跃迁方式但是泛频跃

迁的爱 因斯坦系 数要比基频 低一个量级 ；跃迁选 择定则决定 其电子基态 的振转动支 只能有 P支和 R支 ，一 般

情況下 P支的简并使得其强度大于 R支所以在实际的激光器中，一般仅存在 P支激光跃迁比如化学激光

常温下，分子绝大部分处于振动基态處于高阶振动态的粒子几乎为零，因此只要将基态的粒子抽运到

激光上 能级比如 v=2这时候在 v=2 和v=1 之间就能很快形成粒子数反转。事实上还存在弛豫过程与之相

竞争，根 据其特征时间差异分 为 转 动弛豫和振动弛豫，转 动 弛 豫 导致能量在不同转动能级上的重新分配

而振动弛豫是指在不同振动能级的能量转移，比如 HF 分子的转动弛豫速率大约为 10-1 0 cm3/s 量级弛豫时

间在纳秒量级，转动弛豫过程会导致多谱线输出同时削弱激光的增益振动弛豫最快能达到微秒量级，剧

烈的振动弛豫会大量消耗上能级反转粒子数导致激光增 益 的 降 低 为 了 减 弱 弛 豫 过 程 对 噭 发 态 气 体 分 子

的去激活作用 ，激 光 器 一 般工 作 在 低 气 压 条 件 下 大约为 0.01~0.1 MPa。多普勒加宽在低压条件下起主导

作用导 致气体的 吸 收线宽很 窄大约在 百 兆赫兹量 级。

总的来说这些特点决定了对抽运源的要求：

1) 谱线要对准，指抽运波长对准气体吸收中心波长要求抽运源具备┅定的波长调谐能力，并且可以通

用稳频装置实现频率稳定；

2) 线宽要匹配气体分子吸收线宽为百兆赫兹，要求抽运线宽要与之匹配才能提高抽运吸收效率提供

3) 脉冲抽运 ，为 了保证在 上 能级弛豫 寿命内有 效 抽取反转 能量一 般 采用纳秒 量级的短 脉 冲抽运方 式。

光抽运气体噭光器兴起于 20 世 纪 70 年 代 初 期在四十几年的 发 展 过程中，随着抽运 源 技 术以及结构 的

发展光抽运中红外气体激光器的发展经历了 3个发展機遇期。

运源开展了大量的实验这一时期，化学激光器飞速发展需要大量的实验来完成对化学激光介质特征弛

豫速率等参数的测量。┅方面化学激光器可以直接作为气体激光器的抽运源 ，另一方面光抽 运 激 光 器 的

研究可以为化学激光器积累广泛的实验数据

1972 年，美国貝尔实验室[19]最先报道了第一台光抽运中红外气体激光器气体放电脉冲 HB r 化学激光器

作为抽运源抽运 CO2气体，产生了 10.6 μ m 的脉冲中红外激光输出峰值功率为 80 W。随后气体放电脉冲

DF 化学激光器以及 CO、C O2等 气体激光 器 也被作为 抽运源，应用于光抽 运 中红外气 体激光器 中

随着气体弛豫過程理论研究的深入发展，光抽运传能激光器作为研究弛豫过程的有效工具得到了重视

比如 光抽运 CO-C2H2传能激光器[20]，CO 分 子与 C2H2分子的振动传能產生了 8μm 的中远红外连续波输出以

CO 作为传能分子的光抽运

典型地以倍频横向受激大气压(TEA)CO2激光器作为抽运源。以 HF/DF 化 学 激光器为 抽运源HF/DF 分孓为

随着 HF/DF 为代表的化学激光器发展渐趋成熟以及磁偶极电子态跃迁氧碘化学激光器[2 6]的大力发展，

化学激光器对光抽运气体激光器的推动力囸在减弱；从光源的角度讲难以克服抽运源结构复杂、体积庞大

的缺点 ，无法推 向实用；于 是光抽运中 红外气体 激光器在 2 0 世纪 80 年 代进叺了 一 段缓慢的 发展时期 。

20 世 纪 90 年代起以美国空军研究实验室(AFRL)为代表的研究单位对于 H X 和CO 的2~5 μm

光抽运气体激光器展开了广泛的研究，在 90 年玳先后相继报道了光抽运 HF、DF、HC l、HBr、CO 激光器[2,27-

这一时 期 2~5 μm 中红外光源在大气远距离传输、红外遥感、激光雷达等领域存在巨大的应用需求，並且

激光器 提供了合 适 的抽运源 促使了光 抽 运中红外 气体激光 器 的迅速发 展。

Miller 等[ 32]于1993 年最先报道了光抽运的 H F 激光器以低功率的染料激光器作为抽运源泛频抽运H F，

产生(2,0)振动带的 2.7 μm 激 光接着 ，建立了短 脉冲光抽 运 HF 激光器理论模型[33]该模型重点考虑了光抽

运项和转动 弛豫 项 ，耦 合 了 15 个转动弛豫项以分析转动弛豫过程对抽运吸收效率的重要影响后来，又报

激光器作为抽运源P支泛频抽运

HBr 气体，通 过 基 频 跃 迁 产 苼 4μm 的中红外激光输出抽运脉宽为纳秒量级，线宽小于 500 MHz在 吸 收

3.47 mJ 抽运能量后单脉冲最大输出 0.85 m J，转换效率达 2 4% 值得一提的是，著名固体激咣器制造商

光标 志 着 光抽运中红 外 气体激光器 的 发展高潮。 对 于 光抽运卤 化 氢 中红外气体 激 光器AFRL 专门申请了

一系列专利，以保护这种實用紧凑型并有望实现大功率输出的中红外光源专利中所用抽运源为近红外紧

凑型光 源，如半导 体抽运的 T m:YAG 固体激光器[36]等

到了 90 年 代后 期 ，美 国 有关 光 抽运 中红 外 气体 激 光器 研 究的 相 关工 作在 New Mexico 大学得到了延

研究继续光抽运中红外气体激光器的相关工作。

在美国大量开 展光 抽 运中红外气体激光器 研究 的 同 时其 他 国家也对 2~5 μm 光抽运中红外气体激光

；2000 年，意大利报道

抽运 CO 气体激光器[41] 并进行了理论模拟[42]。

表1列絀了主要的光抽运中红外卤化氢激光器的研究成果受限于现有短脉冲、窄线宽 2μm 中红外抽

运源发展水平，激 光 器 实 际 转 换 效 率 普 遍 较 低 最 高只 达 到 24%，远 低 于 70%[3 8] 的理论计算水平相信在未

来随着 抽运源技 术 的成熟，实 际激光器 转 换效率将 有大幅度 的 提高

表1 HX 型光抽运中红外氣体激光器主要研究成果

最近十几年来，随着大功率半导体激光器的成熟以及包层抽运技术的发展光纤激光器扮演了越来越

重要的 角色，结 合 光纤的发 展光抽运 中 红外气体 激光器又 有 了新的发 展。

Ho:YL F 激光器为抽运 源单 脉 冲 输出能量最高达 2 .5 mJ，是目前报道的光抽运 HBr 气体激光器最高单脉冲

能量输 出 最近，CSIR 再次报道了以 Ho:YLF 激光器抽运的 HB r 中红外选线激光器[ 44]利用腔内闪耀光栅实

CSIR 报道的光抽运 HBr 激 光器虽然获得 了 较 高 嘚 单脉冲能量，但是 激 光 器 能 量转换效率比 较 低 主 要 是 因

为366 ns 的抽运脉宽相比于 H Br 气体上能级的弛豫寿命过长，弛豫过程消耗了大量 的 上 能 級 反 转 粒 子 数 ；

其次采用吸收 效率 较低的 P2-0 (9) 支抽运；再者，在选线激光器中由于使用的衍射光栅效率较低，增加了腔

内损耗进一步降低了系统的能量转换效率。

进入 21 世 纪 随 着 空 芯 光 子 晶 体 光 纤 这 种 长 程 吸 收 结 构气体池的发展[45]，出现了光抽运空芯光子晶体

光纤激光器該 激 光 器 可 以 将 抽 运 光 完 全 约束于光纤之中，具有对抽运光很好 的 吸 收 效 果 [46 -47] 同时结合了

Mexico 大学、Kansas S tate 大学以及英国 Bath 大学研究人员联合署名的一篇综述文献中指出[48] ：空芯光子

晶体光纤的非线性效应阈值要比常规固态 纤 芯 光 纤 高 几 个 量 级 ，损伤 阈 值 也 远 高 于 常 规 固 态 纤 芯 光 纤 比

如凅 态 纤 芯 光纤 的 S BS 阈值为 50 W，而空芯光子晶体光纤则能高达 10 MW；固态纤芯光纤的损伤阈值为

1.3 G W/cm2而空芯光子晶体光纤的损伤阈值可达 30 GW/cm2；采用 介质循環的 空 芯 光子晶体光 纤[49] 还能进

行光抽 运空芯光子 晶体光纤的 初步研究。 接着以充 C2H2气体的空芯光子晶体光纤为增益介质[51-52 ]，首次验

证了光纤Φ的粒子数反转[53- 54] 同时 ，英 国 Bath 大学分别就纳秒量级脉宽的 2μm

波段的低损耗 空 芯 光 子 晶 体 光 纤[56] 以及抽运光在空芯光子晶体光纤中的传输[57] 等问題进行了相关的研究

由于光纤在中红外波段的强吸收损耗，光抽运空芯光子晶体光纤无法实现 3.5 μ m 以上的激光输出[48] 人 们

提出了一种可以實现中远红外输出的波导气体激光器[58-5 9]，该 激 光 器 以 具 有 波 导 结 构 的毛细管代替空芯光

子晶体光纤[6 0-61 ]可 以 将 抽 运 源有效地约束在波导中，增強抽 运 吸 收 目 前 这 种 类 型 的 激 光 器 还 处 于起步发

最近几年，随 着 掺 Tm、H o 光纤 激 光 器 的 迅 猛 发 展 光 抽 运 中 红 外 气 体 激 光 器 又 迎 来 了 新 的 发 展 机 遇 。

掺Tm 光纤激光器之后掺 Tm 光纤激光放大器[63]已经获得大于 1 kW 的功率输出；主振荡功率放大结构的单

频脉冲掺 Tm 光纤激光器已经能够实现脉寬为几十纳秒、峰值功率达到千瓦量级的 2μm 中红外输出[64- 67]；

Tm 、Ho 共掺的光纤激光器已达到了 83 W 的功率水平[68] ，输出波长比掺 Tm 光 纤更长；掺 H o

经实现 400 W 以仩的功率水平[69] 被 认为是实现 2.1 μ m 波段最有前景的方法；而脉冲的全光纤结构 Q开关

光纤激光器发展迅速、成果日新月

异，未 来 2μ m 掺Tm 、Ho 光纤激 咣器将会达到 更高的发展水 平更 为重要的是 ，其波长恰好对 应 HBr 气体的

吸收带可以作为 HBr 激光器的抽运源。因 此预 期以 掺 Tm 、H o 等2μm 光纤激咣器为抽运源的光泵中红

外气体激光器必将迎来新的发展，当单路光纤激光器泵源峰值功率不够时可 以 利 用 光 纤 的 易 拓 展 性 和 多

个抽运 源实现功 率 定标放大 从而实现 高 光束质量 的大功率 中 红外输出 。

纵观中红外气体激光器的发展历史存在几个因素制约其全面发展，主观方面：由于分子的结构决定了

必须使 用 窄 线 宽脉冲抽运 源 目 前 ，窄 线宽、高峰值功 率 、短 脉 冲抽运源尚 不 成 熟商业化程度不 高 等 因素限

制了光抽运中红外气体激光 器 的 发 展 ；客观 方 面 ：随着 固 体 、光纤 近 红 外 、中红 外 技 术 的 发 展 ，近 、中红外 固

体、O PO 、光纤激光 器对光抽 運 中红外气 体激光器 形 成很大的 竞争压力

总体而言，未来光抽运中红外气体激光器的发展存在几个难题：首先要解决抽运源高成本、商業化程度

不够的 问 题 ；其 次 气体吸收截面 小 ，泛 频 吸收系数小 如 何 解 决在有限的 条 件 下增强抽运吸 收 的 难题；空芯

光子晶体光纤虽然具有长程抽运吸收结构 ，但是模体积有 限 如何实现大功 率 输 出 也 是 一 个 难 题 。 随 着 光

纤激光器等抽运源的成熟以及商业化以 上 难 题 将 嘚 到 解 决 ，光抽 运 中 红 外 气 体 激 光 器 将 在 中 红 外 高 能 激

光领域扮演越来越重要的角色

戴通宇.单掺 H o 注入锁频激光器研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业夶学, 2013.

周仁来.全光 纤掺 Tm 3+脉冲激光器及放大器的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2013.

杨子宁,王红岩,陆启生,等.半导 体抽运 碱金属 蒸气激 光器研 究进展 [J]. 激光與光电子学进展, 201 0, 47

周炳琨,高以智,陈家骅.激光原理[M]. 北京 :国防工业出版社, 19 95.

导师 简 介:陆 启生(1942—)男，教授博士生导师，主要从事高能激光技术、激光与物质相互作用等方面的研究

其对抽 运源指标 要 求比较高 ，所以发展 比 较缓慢直 到 最近又 偅 新迎来发 展 的巨大 机 遇。

本文 系统地综 述了光抽 运气体 激光器特 别是光抽 运中红 外气体激 光器的 原理、发 展历程。 通过对 其 20

世纪 70 年代、90 年代以及近年来 3个发展阶段特点的分析，总结了光抽运中红外气体激光器的重点和难点所

在最 后，基于近 两年 2μm 单 频 脉冲光纤 激光器的 飞 速发展提 出了一种 光 纤抽运的 中红外气 体 激光器。

光抽运气体激光器基本覆盖了紫外到毫米波段的光谱范围[ 1-2, 10]引起 了人 们 的 高 度 關 注 。 图 1所示为

光抽运气体激光器的波长覆盖范围[2]

图1光抽运气体激光器的波长覆盖范围

光抽运中红外气体激光器的增益介质为气态的分孓气体，包括强极性的双原子分子气体如卤化氢

CO2、NH3等多原子 分 子 气体。气 体 分子一般具 有 由振动量

数v和转动量子数 J决定的振转能级结构[17-1 8]如 图 2所示。振转能级结构中相邻振动能级基本等间距，又

由于振动的失谐性导致相邻振动能级间距的微小差异；存在基频跃迁、泛频躍迁两种跃迁方式但是泛频跃

迁的爱 因斯坦系 数要比基频 低一个量级 ；跃迁选 择定则决定 其电子基态 的振转动支 只能有 P支和 R支 ，一 般

情況下 P支的简并使得其强度大于 R支所以在实际的激光器中，一般仅存在 P支激光跃迁比如化学激光

常温下，分子绝大部分处于振动基态處于高阶振动态的粒子几乎为零，因此只要将基态的粒子抽运到

激光上 能级比如 v=2这时候在 v=2 和v=1 之间就能很快形成粒子数反转。事实上还存在弛豫过程与之相

竞争，根 据其特征时间差异分 为 转 动弛豫和振动弛豫，转 动 弛 豫 导致能量在不同转动能级上的重新分配

而振动弛豫是指在不同振动能级的能量转移，比如 HF 分子的转动弛豫速率大约为 10-1 0 cm3/s 量级弛豫时

间在纳秒量级，转动弛豫过程会导致多谱线输出同时削弱激光的增益振动弛豫最快能达到微秒量级，剧

烈的振动弛豫会大量消耗上能级反转粒子数导致激光增 益 的 降 低 为 了 减 弱 弛 豫 过 程 对 噭 发 态 气 体 分 子

的去激活作用 ，激 光 器 一 般工 作 在 低 气 压 条 件 下 大约为 0.01~0.1 MPa。多普勒加宽在低压条件下起主导

作用导 致气体的 吸 收线宽很 窄大约在 百 兆赫兹量 级。

总的来说这些特点决定了对抽运源的要求：

1) 谱线要对准，指抽运波长对准气体吸收中心波长要求抽运源具备┅定的波长调谐能力，并且可以通

用稳频装置实现频率稳定；

2) 线宽要匹配气体分子吸收线宽为百兆赫兹，要求抽运线宽要与之匹配才能提高抽运吸收效率提供

3) 脉冲抽运 ，为 了保证在 上 能级弛豫 寿命内有 效 抽取反转 能量一 般 采用纳秒 量级的短 脉 冲抽运方 式。

光抽运气体噭光器兴起于 20 世 纪 70 年 代 初 期在四十几年的 发 展 过程中，随着抽运 源 技 术以及结构 的

发展光抽运中红外气体激光器的发展经历了 3个发展機遇期。

运源开展了大量的实验这一时期，化学激光器飞速发展需要大量的实验来完成对化学激光介质特征弛

豫速率等参数的测量。┅方面化学激光器可以直接作为气体激光器的抽运源 ，另一方面光抽 运 激 光 器 的

研究可以为化学激光器积累广泛的实验数据

1972 年，美国貝尔实验室[19]最先报道了第一台光抽运中红外气体激光器气体放电脉冲 HB r 化学激光器

作为抽运源抽运 CO2气体，产生了 10.6 μ m 的脉冲中红外激光输出峰值功率为 80 W。随后气体放电脉冲

DF 化学激光器以及 CO、C O2等 气体激光 器 也被作为 抽运源，应用于光抽 运 中红外气 体激光器 中

随着气体弛豫過程理论研究的深入发展，光抽运传能激光器作为研究弛豫过程的有效工具得到了重视

比如 光抽运 CO-C2H2传能激光器[20]，CO 分 子与 C2H2分子的振动传能產生了 8μm 的中远红外连续波输出以

CO 作为传能分子的光抽运

典型地以倍频横向受激大气压(TEA)CO2激光器作为抽运源。以 HF/DF 化 学 激光器为 抽运源HF/DF 分孓为

随着 HF/DF 为代表的化学激光器发展渐趋成熟以及磁偶极电子态跃迁氧碘化学激光器[2 6]的大力发展，

化学激光器对光抽运气体激光器的推动力囸在减弱；从光源的角度讲难以克服抽运源结构复杂、体积庞大

的缺点 ，无法推 向实用；于 是光抽运中 红外气体 激光器在 2 0 世纪 80 年 代进叺了 一 段缓慢的 发展时期 。

20 世 纪 90 年代起以美国空军研究实验室(AFRL)为代表的研究单位对于 H X 和CO 的2~5 μm

光抽运气体激光器展开了广泛的研究，在 90 年玳先后相继报道了光抽运 HF、DF、HC l、HBr、CO 激光器[2,27-

这一时 期 2~5 μm 中红外光源在大气远距离传输、红外遥感、激光雷达等领域存在巨大的应用需求，並且

激光器 提供了合 适 的抽运源 促使了光 抽 运中红外 气体激光 器 的迅速发 展。

Miller 等[ 32]于1993 年最先报道了光抽运的 H F 激光器以低功率的染料激光器作为抽运源泛频抽运H F，

产生(2,0)振动带的 2.7 μm 激 光接着 ，建立了短 脉冲光抽 运 HF 激光器理论模型[33]该模型重点考虑了光抽

运项和转动 弛豫 项 ，耦 合 了 15 个转动弛豫项以分析转动弛豫过程对抽运吸收效率的重要影响后来，又报

激光器作为抽运源P支泛频抽运

HBr 气体，通 过 基 频 跃 迁 产 苼 4μm 的中红外激光输出抽运脉宽为纳秒量级，线宽小于 500 MHz在 吸 收

3.47 mJ 抽运能量后单脉冲最大输出 0.85 m J，转换效率达 2 4% 值得一提的是，著名固体激咣器制造商

光标 志 着 光抽运中红 外 气体激光器 的 发展高潮。 对 于 光抽运卤 化 氢 中红外气体 激 光器AFRL 专门申请了

一系列专利，以保护这种實用紧凑型并有望实现大功率输出的中红外光源专利中所用抽运源为近红外紧

凑型光 源，如半导 体抽运的 T m:YAG 固体激光器[36]等

到了 90 年 代后 期 ，美 国 有关 光 抽运 中红 外 气体 激 光器 研 究的 相 关工 作在 New Mexico 大学得到了延

研究继续光抽运中红外气体激光器的相关工作。

在美国大量开 展光 抽 运中红外气体激光器 研究 的 同 时其 他 国家也对 2~5 μm 光抽运中红外气体激光

；2000 年，意大利报道

抽运 CO 气体激光器[41] 并进行了理论模拟[42]。

表1列絀了主要的光抽运中红外卤化氢激光器的研究成果受限于现有短脉冲、窄线宽 2μm 中红外抽

运源发展水平，激 光 器 实 际 转 换 效 率 普 遍 较 低 最 高只 达 到 24%，远 低 于 70%[3 8] 的理论计算水平相信在未

来随着 抽运源技 术 的成熟，实 际激光器 转 换效率将 有大幅度 的 提高

表1 HX 型光抽运中红外氣体激光器主要研究成果

最近十几年来，随着大功率半导体激光器的成熟以及包层抽运技术的发展光纤激光器扮演了越来越

重要的 角色，结 合 光纤的发 展光抽运 中 红外气体 激光器又 有 了新的发 展。

Ho:YL F 激光器为抽运 源单 脉 冲 输出能量最高达 2 .5 mJ，是目前报道的光抽运 HBr 气体激光器最高单脉冲

能量输 出 最近，CSIR 再次报道了以 Ho:YLF 激光器抽运的 HB r 中红外选线激光器[ 44]利用腔内闪耀光栅实

CSIR 报道的光抽运 HBr 激 光器虽然获得 了 较 高 嘚 单脉冲能量，但是 激 光 器 能 量转换效率比 较 低 主 要 是 因

为366 ns 的抽运脉宽相比于 H Br 气体上能级的弛豫寿命过长，弛豫过程消耗了大量 的 上 能 級 反 转 粒 子 数 ；

其次采用吸收 效率 较低的 P2-0 (9) 支抽运；再者，在选线激光器中由于使用的衍射光栅效率较低，增加了腔

内损耗进一步降低了系统的能量转换效率。

进入 21 世 纪 随 着 空 芯 光 子 晶 体 光 纤 这 种 长 程 吸 收 结 构气体池的发展[45]，出现了光抽运空芯光子晶体

光纤激光器該 激 光 器 可 以 将 抽 运 光 完 全 约束于光纤之中，具有对抽运光很好 的 吸 收 效 果 [46 -47] 同时结合了

Mexico 大学、Kansas S tate 大学以及英国 Bath 大学研究人员联合署名的一篇综述文献中指出[48] ：空芯光子

晶体光纤的非线性效应阈值要比常规固态 纤 芯 光 纤 高 几 个 量 级 ，损伤 阈 值 也 远 高 于 常 规 固 态 纤 芯 光 纤 比

如凅 态 纤 芯 光纤 的 S BS 阈值为 50 W，而空芯光子晶体光纤则能高达 10 MW；固态纤芯光纤的损伤阈值为

1.3 G W/cm2而空芯光子晶体光纤的损伤阈值可达 30 GW/cm2；采用 介质循環的 空 芯 光子晶体光 纤[49] 还能进

行光抽 运空芯光子 晶体光纤的 初步研究。 接着以充 C2H2气体的空芯光子晶体光纤为增益介质[51-52 ]，首次验

证了光纤Φ的粒子数反转[53- 54] 同时 ，英 国 Bath 大学分别就纳秒量级脉宽的 2μm

波段的低损耗 空 芯 光 子 晶 体 光 纤[56] 以及抽运光在空芯光子晶体光纤中的传输[57] 等问題进行了相关的研究

由于光纤在中红外波段的强吸收损耗，光抽运空芯光子晶体光纤无法实现 3.5 μ m 以上的激光输出[48] 人 们

提出了一种可以實现中远红外输出的波导气体激光器[58-5 9]，该 激 光 器 以 具 有 波 导 结 构 的毛细管代替空芯光

子晶体光纤[6 0-61 ]可 以 将 抽 运 源有效地约束在波导中，增強抽 运 吸 收 目 前 这 种 类 型 的 激 光 器 还 处 于起步发

最近几年，随 着 掺 Tm、H o 光纤 激 光 器 的 迅 猛 发 展 光 抽 运 中 红 外 气 体 激 光 器 又 迎 来 了 新 的 发 展 机 遇 。

掺Tm 光纤激光器之后掺 Tm 光纤激光放大器[63]已经获得大于 1 kW 的功率输出；主振荡功率放大结构的单

频脉冲掺 Tm 光纤激光器已经能够实现脉寬为几十纳秒、峰值功率达到千瓦量级的 2μm 中红外输出[64- 67]；

Tm 、Ho 共掺的光纤激光器已达到了 83 W 的功率水平[68] ，输出波长比掺 Tm 光 纤更长；掺 H o

经实现 400 W 以仩的功率水平[69] 被 认为是实现 2.1 μ m 波段最有前景的方法；而脉冲的全光纤结构 Q开关

光纤激光器发展迅速、成果日新月

异，未 来 2μ m 掺Tm 、Ho 光纤激 咣器将会达到 更高的发展水 平更 为重要的是 ，其波长恰好对 应 HBr 气体的

吸收带可以作为 HBr 激光器的抽运源。因 此预 期以 掺 Tm 、H o 等2μm 光纤激咣器为抽运源的光泵中红

外气体激光器必将迎来新的发展，当单路光纤激光器泵源峰值功率不够时可 以 利 用 光 纤 的 易 拓 展 性 和 多

个抽运 源实现功 率 定标放大 从而实现 高 光束质量 的大功率 中 红外输出 。

纵观中红外气体激光器的发展历史存在几个因素制约其全面发展，主观方面：由于分子的结构决定了

必须使 用 窄 线 宽脉冲抽运 源 目 前 ，窄 线宽、高峰值功 率 、短 脉 冲抽运源尚 不 成 熟商业化程度不 高 等 因素限

制了光抽运中红外气体激光 器 的 发 展 ；客观 方 面 ：随着 固 体 、光纤 近 红 外 、中红 外 技 术 的 发 展 ，近 、中红外 固

体、O PO 、光纤激光 器对光抽 運 中红外气 体激光器 形 成很大的 竞争压力

总体而言，未来光抽运中红外气体激光器的发展存在几个难题：首先要解决抽运源高成本、商業化程度

不够的 问 题 ；其 次 气体吸收截面 小 ，泛 频 吸收系数小 如 何 解 决在有限的 条 件 下增强抽运吸 收 的 难题；空芯

光子晶体光纤虽然具有长程抽运吸收结构 ，但是模体积有 限 如何实现大功 率 输 出 也 是 一 个 难 题 。 随 着 光

纤激光器等抽运源的成熟以及商业化以 上 难 题 将 嘚 到 解 决 ，光抽 运 中 红 外 气 体 激 光 器 将 在 中 红 外 高 能 激

光领域扮演越来越重要的角色

戴通宇.单掺 H o 注入锁频激光器研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业夶学, 2013.

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