基于空心光子晶体光纤的波长可调中红外气体拉曼激光器研究

A raft of new military, medical and sensing applications gives 2-5 um mid-infrared (IR) laser fresh impetus. However, mid-IR lasers are still in research stage as it suffers from low conversion efficiency, complicated structure, bulky size, and expensive components. In this proposal, by combining our progresses in hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF), stimulated Raman scattering of gas/liquid media and 2??m high power fiber lasers, a new approach will be endeavored to achieve a compact and versatile mid-IR gas/liquid Raman laser. A photonic microcell waveguide, formed by filling HC-PCF with Raman active gas/liquid, is placed in a Fabry-Perot cavity and pumped by a tunable fiber laser to generate mid-IR laser output via stimulated Raman scattering mechanism. Research on Raman dynamics will be carried out as well. Hydrogen, methane and other Raman active media with different lasing behaviors in tunable range, linewidth and coherence properties will be investigated with the aim of realizing the mid-IR narrow linewidth tunable gas Raman fiber laser. This mid-IR Raman laser will have dramatically reduced Raman threshold thanks to the HC-PCF host and cavity structure and will secure narrow linewidth due to the intrinsic characteristics of gas media while maintain the key feature of compactness and tunability from the fiber laser. The accomplishment of this project will bring vitality to the field of mid-IR lasers in our country.

中红外波段2～5微米激光器在军事国防、遥感探测、激光医疗等领域有着极为重要的应用，成为近年来的研究热点。相对于可见光、近红外等波段，中红外激光技术的进展较为缓慢，基础与创新性研究亟需加强。本项目主申请人掌握了空心光子晶体光纤拉制的核心技术，在气体拉曼散射领域取得了国际领先的研究成果，结合所在实验室在高功率2微米光纤激光器领域的研究基础，我们提出研制中红外激光器的新思路。我们拟将气体介质充入Kagome类型空心光子晶体光纤中形成光学微池波导，置于法布里-珀罗谐振腔中，以波长可调2微米光纤激光器进行泵浦，利用拉曼散射原理实现中红外激光输出。我们将开展气体分子拉曼散射动力学研究，探索氢气、甲烷等多种拉曼介质产生中红外激光的可调谐范围、谱线宽度、相干性等性质。方案融合了气体激光器的窄线宽特性，光纤激光器的简单结构，和拉曼激光器的丰富工作波长。项目的完成将极大地推动我国中红外激光器的研究和应用。

2-5微米中红外激光器在军事国防、空间通信、遥感探测、激光医疗等领域有着广泛的应用，近年来一直是研究的热点所在。然而中红外激光技术相对于可见光、近红外等波段发展脚步比较缓慢，需要新的技术带领中红外激光进一步向前发展。本课题探索了结合新型空芯光子晶体光纤技术和拉曼散射技术获得中红外激光输出的新方法，具体分为光纤研制、液体超连续及拉曼产生和气体中红外拉曼激光输出三方面。本课题在基金的支持下，对新型空芯光子晶体光纤—反谐振式空芯光纤进行了深入的理论研究、结构设计和光纤拉制，理论解释了空芯反谐振光纤的导光机理，设计了保偏、紫外传输的新结构空芯反谐振光纤，并成功研制了实心光子晶体光纤、空芯带隙光纤、空芯Kagome光纤和空芯反谐振光纤，其中空芯反谐振光纤传输损耗在几十dB/km量级，导光通带达到几百个THz，不同光纤可覆盖紫外、可见光、近红外和中红外波段，激光损伤阈值达到百微焦（对皮秒脉冲），并能实现准单模传输，光纤的性能及研制水平达到了世界领先，新型空芯反谐振光纤的成功研制为研究中红外气体光纤激光器夯实了基础。课题探索了利用液芯光纤实现中红外激光输出，利用自制的2微米光纤激光器泵浦充入空心毛细管的二硫化碳溶液，产生了1.2-2.3微米超连续输出和多级拉曼输出。最后，课题利用自制的中红外导光空芯反谐振光纤和甲烷气体获得了2.8微米单脉冲能量高达113微焦，峰值功率高达9.5兆瓦的皮秒拉曼激光输出，这是首个基于光纤的高峰值功率中红外激光输出的报导，为中红外激光的产生提供了便携、高效的途径，在激光武器、激光医疗、气体探测中有重要应用，并可作为泵浦源进行中红外频率变化或超连续谱产生的应用。本课题的完成极大地提高了我国在光子晶体光纤、中红外激光器等领域的科研水平，相关成果可应用于超快光学、非线性光学、激光传输、生物光子学、光纤通信、光纤传感和中红外激光中。