光纖激光器憑借光束質量好、效率高、結構緊湊等諸多優勢已廣泛應用于多個領域，基于Yb3+、Er3+、Tm3+三種主流的稀土離子摻雜，其發展主要集中在1 μm、1.5 μm和2 μm波段。由于石英光纖聲子能量等因素的限制，光纖激光器在其他波段、特別是中紅外波段的波長拓展以及功率提升發展受限。

空芯光纖（HCF）作為一種新型光纖將光場主要限制在空芯區域傳輸，大幅降低與基質材料的重疊，具備低損耗、低非線性、高損傷閾值等優勢；其既能高效低損耗傳輸激光，又為光與氣體相互作用提供了理想環境。

在此基礎上發展的空芯光纖氣體激光（HCFGL），融合了光纖激光器與氣體激光器的核心優點，為傳統實芯光纖激光實現波長拓展、以及功率提升提供了全新解決路徑，有望在空間通信、材料加工、生物醫療和光電對抗等領域發揮重要作用。

HCF迅速發展，窄線寬光纖激光泵浦源性能日益提升，HCF耦合技術不斷突破，為HCFGL的發展提供了強大動力。

2.1 低傳輸損耗空芯光纖的發展

如今HCF在多個波段的傳輸損耗已突破實芯光纖的極限，HCF性能的提升極大程度地促進了HCFGL的發展。在500~600 nm可見光波段，HCF的傳輸損耗已經低至1 dB/km；1.5 μm通信波段的傳輸損耗更是僅有驚人的0.091 dB/km，打破了傳統實芯光纖的損耗極限；盡管聲子能量對長波長激光損耗較大，但HCF在中紅外波段的低損耗也達到了18 dB/km（@3.16 μm）。

2.2 窄線寬光纖激光泵浦源發展

1 μm、1.5 μm和2 μm波段的窄線寬光纖激光是HCFGL常用的泵浦源。基于Yb3+摻雜光纖，1 μm波段窄線寬光纖激光的高功率已突破7 kW；摻銩光纖激光器是產生2 μm窄線寬光纖激光的主要手段，其高輸出功率也已達到2 kW；1.5 μm光纖激光的功率水平雖不及二者，目前也能實現數百瓦功率輸出。

2.3 空芯光纖耦合技術的發展

能否實現空芯-實芯低損耗、高效率耦合是HCFGL往高功率、高效率發展的關鍵因素。目前主要的耦合方式包括空間耦合、拉錐耦合、熔接耦合等。空間耦合技術成熟，但是抗干擾能力較差；拉錐耦合能夠提升系統的緊湊性和穩定性，但是工藝復雜、耐高功率能力差。熔接技術能實現低損耗高可靠性耦合，但是回光反射抑制問題仍有待解決。

C2H2、HBr、CO等氣體是基于粒子數反轉的HCFGL常見增益氣體。得益于這些氣體分子的吸收/發射特性，該類HCFGL輸出中紅外波段激光有著得天獨厚的優勢。通過泵浦填充CO的HCF，HCFGL的最長輸出波長已經突破4.8 μm，這是目前為止報道的石英基光纖激光器的最長輸出波長，彰顯了HCFGL的波長拓展能力；該類激光器在中紅外波段的功率提升能力同樣出色，基于C2H2和HBr粒子數反轉的HCFGL分別在3.1 μm和4.16 μm處實現了21.8 W和10 W的連續波激光輸出，21.8 W代表著該類HCFGL的高輸出功率，而10 W則書寫了4 μm以上光纖激光功率新紀錄；通過HCF中HBr/CO兩種氣體混充，HCFGL實現了3808 nm到4842 nm的階躍調諧激光輸出，超過1000nm的跨度是目前光纖激光大的調諧范圍，展現了HCFGL寬波段輸出能力。

圖1 基于粒子數反轉的HCFGL代表性實驗裝置示意圖和結果。(a) 4.8 μm空芯光纖CO氣體激光；(b) 高功率空芯光纖C2H2氣體激光；(c) 高功率空芯光纖HBr氣體激光；(d) 大范圍階躍調諧輸出的空芯光纖HBr/CO混充氣體激光

基于SRS原理的HCFGL輸出波長靈活，理論上可以實現任意波長的激光輸出。H2、CH4、D2是此類激光器常見的氣體，目前，該類HCFGL輸出波長已覆蓋紫外到中紅外波段。2002年，該類HCFGL次得到報道，利用HCF代替傳統氣體腔，將激光閾值降低了多個數量級，開辟了HCFGL新紀元（Benabid F, Knight J C, Antonopoulos G, et al. Science, 2002）；通過泵浦HCF中CH4和D2可以直接輸出1.5 μm高功率、窄線寬激光，為光纖通信、遙感探測所需光源提供了新思路；通過CH4和D2氣體級聯轉換或直接借助H2振動SRS過程，還可以有效輸出中紅外波段激光；該類HCFGL目前輸出功率已突破110 W，高功率輸出潛力巨大。

圖2 基于SRS的HCFGL代表性實驗裝置示意圖和結果。(a) HCFGL；(b) 1.5 μm波段空芯光纖甲烷氣體激光；(c) 級聯結構的中紅外波段HCFGL；(d) 110 W高功率HCFGL

HCFGL在激光波長拓展、功率提升等方面均表現出了巨大優勢，為解決常規實芯光纖激光存在的技術瓶頸提供了全新思路。未來，圍繞HCFGL的性能提升與實用化目標，可從多維度實現技術突破：降低HCF傳輸損耗、優化高功率窄線寬泵浦源性能、開發光譜合束技術，可將HCFGL輸出功率推向新高度；深入研究氣體分子物理特性、探索電激勵等新型泵浦方式、嘗試多氣體混充，提升HCFGL波長拓展以及寬范圍調諧能力；攻克空芯-實芯光纖低損耗高強度耦合難題，同步全光纖光電器件研發，加速HCFGL全光纖化進程。上述技術突破將為HCFGL綜合性能突破以及其在光電對抗、激光通信、前沿光譜探測等領域的廣泛應用筑牢根基。

參考文獻： 中國光學期刊網

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