上海光机所在3μm波段气体光纤激光器实现3.9W单频功率输出、斜效率突破35%

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部特种玻璃与光纤研究中心团队，创新开展缓冲气体提升乙炔填充的空芯光纤气体激光器（A-HCFGL）转换效率的系统研究，采用1.53 μm单频光纤激光器作为泵浦源，在3.1 μm波长实现3.9 W单频激光输出，斜效率突破35%，相关成果以“Buffer gas enhancing of power conversion efficiency of continuous-wave acetylene-filled fiber gas laser at 3 μm wavelength”为题，发表于Optics Express。

3 μm波长乙炔激光下能级到基态跃迁主要依靠分子自碰撞和与芯壁碰撞的无辐射弛豫。氨气v₁和2v₂能级能量水平接近乙炔激光下能级且向基态允许辐射弛豫。选择氨气作为缓冲气体，利用分子间碰撞与能量转移，可以为乙炔气体激光提供新的激光下能级弛豫通道，有效改善激光运转效能。

在本工作中，研究团队建立了气体光纤激光器速率方程模型，讨论了气压、气体分压比、纤芯尺寸、光纤长度等条件下碰撞弛豫对于激光输出的影响，利用数值模拟开展基于氨气缓冲气体的乙炔气体光纤激光器的最佳设计方案。

图1 （a）不同光纤长度、芯径下最大输出功率的模拟结果；（b）芯径分别为20 cm、90 μm和在90 μm内以3:1混气的输出表现；（c）乙炔-氨气不同总压，不同比例下的输出模拟；（d）纯乙炔和3:1混气以光纤长度为函数的模拟结果。

基于上述模型，研究团队搭建了实验平台，在乙炔-氨气比为3:1，7 mbar下，实现了最大3.9 W的连续激光输出。相较于本实验中纯乙炔最高29.5 %的斜效率，缓冲气的加入将斜效率提升到了35.74 %，这是迄今为止所报道的最高效率。本项工作对于进一步改进气体光纤激光器性能提供了新的研究思路。

图2 （a）实验装置；（b）不同气压和不同混气比例的实验输出曲线；（c）7 mbar总压，3:1混气下3 W的输出光谱。