中惠普空芯光纤中氢气受激拉曼散射的1.7微米光

引 言
1.7 μm 波段激光由于其独特的光谱特性，受到了国内外广泛的关注。由于脂肪等含水量 较少的生物组织对 1.7 μm 波段激光存在较强的吸收，该波段激光在生物组织和生物材料有 着较大的穿透深度，因此该波段激光光源在光学相干层析成像（OCT）、光声成像（PAI）有 着重要的应用。因为 C-H 键的吸收峰位于 1.7 μm 波段，所以该波段光源也被广泛应用于 富含 C-H 键的材料加工和物质检测领域。同时 1.7 μm 波段激光是镝离子的吸收线之一， 所以该波段激光也被用于泵浦掺镝光纤产生中红外激光。目前，产生该波段光纤激光输 出的途径主要有三种[7]：掺铥或者铥钬共掺光纤，掺铋光纤，以及常规光纤级联受激拉曼散 射。铥的增益谱带范围较宽（1600-2200 nm），但由于其在 1.7 μm 波段的增益较低，因而产 生 1.7 μm 波段近红外光的难度较大。掺铋光纤能够有效产生 1.7 μm 波段激光，但这种光 纤制备工艺尚未成熟，成本昂贵。在 1.5 μm 波段激光的泵浦下，通过常规光纤的受激拉 曼散射能够实现往长波方向的波长频移，但是一般需要两级级联的结构才能实现 1.7 μm 附 近波段的激光输出，结构相对比较复杂。近年来受到广泛关注的光纤气体拉曼激光器，为 实现 1.7 μm 波段光纤激光输出提供了一种全新的思路。

基于空芯光纤的气体受激拉曼散射已经被证明是产生新 波长激光输出的有效手段，近年来受到了国内外广泛研究。光纤气体拉曼激光器能够有 效结合气体激光器输出波长范围广和光纤激光器输出光束质量好、效率高、热管理方便等优 势，通过设计具有合适传输带的空芯光纤，充入合适的气体增益介质，能够有效实现从紫外 到红外波段激光输出。目前，采用氢气作为增益介质，已经实现了 1 μm 波段、2 μm 波 段和 4 μm波段的光纤气体拉曼激光输出。2004 年，F. Benid 等人利用 1064 nm 激光泵 浦充氢气的空芯光纤，实现量子效率高达 92%的 1135 nm 激光输出。2014 年，本课题组 利用氢气的振动受激拉曼散射在空芯光纤中实现 1064nm 向 1907 nm 激光的转化，量子效率 为~48%。2019 年，Astapovich 等人在充氢气的空芯光纤内实现 1.56 μm 向 4.42 μm 波段 的光纤气体拉曼激光输出，输出功率达 1.4 W。采用甲烷作为增益介质，已经实现了 1.5 μm 波段和 3 μm 波段的激光输出。2017 年，本课题组利用种子光注入，在充甲烷 的空芯光纤内实现光光转化效率高达 66.4%的 1.54 μm 激光输出。2018 年，本课题组采用 级联结构，在两段充甲烷的空芯光纤内实现 1 μm 向 2.8μm 激光的转化，总量子效率为 75%。

理论分析与仿真

通常空芯光纤中气体受激拉曼散射过程非常复杂，特别是短脉冲激光泵浦的情况。对于 本文的研究，由于使用的空芯光子晶体光纤传输损耗谱的特殊性，高阶斯托克斯光和反斯托 克斯光均位于传输带外，仅需考虑一阶斯托克斯光的产生。
利用上述理论模型，我们对空芯光纤长度和气体拉曼增益系数这两个影响气体拉曼激光 输出的重要参数进行了仿真。仿真计算时，泵浦光边界条件设为耦合进空芯光纤的泵浦光强 （脉冲功率/模场面积），斯托斯光边界条件设为一个噪声光子的光强（光子能量/退相时间/ 模场面积）。其中退相时间（1/拉曼线宽/π）根据文献 23 计算，模场面积为光纤相关参数。

实验装置
用于产生单程 1.7 μm 激光输出的光纤气体拉曼激光器实验装置，泵浦源为 自行搭建的 1550 nm 脉冲光纤放大器，脉冲宽度约为 12 ns，重复频率为 200 kHz，最大平均 输出功率为~1.5 W。放大器的输出光纤为 SMF-28e 单模光纤，与光纤分束器（实测分束比 为 99.16：0.84）熔接，用以实时监测泵浦源的输出功率。分束器的主纤与空芯光子晶体光纤 通过熔接的方式连接，耦合效率约为 70%（利用真空条件下输出泵浦功率和光纤传输损 耗计算得到）。熔接的方式将大大提高系统的稳定性，并且避免了空间光路耦合方式下激光 打坏光纤端面的情况。空芯光纤的输出端密封于带有玻璃窗口（Thorlabs WG61050，对泵浦 光和激光的透过率均为~95%）的气体腔中，气体腔体的一侧伸出一根导管连接着气压计， 并分成两路分别连接高压气瓶和真空抽气泵，输出光束直接进入光功率计，即可测量总 输出功率；翻转带通滤波片，输出光束透过滤波片进入光功率计，即可测量残余泵浦功率； 总输出功率和残余泵浦功率相减，即可得到拉曼激光功率。

实验结果分析与讨论
实验中对单程 1.7 μm 光纤气体拉曼激光输出光谱，输出光的时域特性及不同氢气气压 下总输出激光功率、拉曼激光功率、残余泵浦光功率和拉曼转化效率随总的泵浦光功率的变化进行了测量在空芯光子晶体光纤内发生的氢气受激拉曼散射的光谱十分干净，只有一条拉曼谱线， 为一级转动斯托克斯 1705 nm (频移 587 cm-1 )，这是由空芯光纤的传输特性决定的。该空芯 光子晶体光纤的传输带较窄，仅有 1550 nm 的泵浦光谱线和 1705 nm 的一级转动斯托克斯 谱线位于传输带内，因此 1705 nm 拉曼谱线损耗很低，氢气的其他拉曼谱线的损耗很高，故 在一定峰值功率泵浦光的作用下，该空芯光子晶体光纤仅产生 1705 nm 拉曼激光，而不产生 其他拉曼谱线的激光，这极大地提高了目标波段的氢气受激拉曼散射的效率。 (b)和(c) 分别是 1550 nm 泵浦激光和 1705 nm 拉曼激光的谱型图（光谱仪扫描精度设为 0.05 nm）。

结 论
北京中惠普利用充氢气的商用空芯光子晶体光纤实现了高效的 1.7 μm 单程激光输 出。泵浦源为自研的 1550 nm 纳秒脉冲光纤放大器，利用一段 3.2 米长的空芯光 纤中高压氢气分子的转动受激拉曼散射得到了 1705 nm 斯托克斯光输出，最大输 出功率为~0.5 W（单脉冲能量~2.5 μJ），对应的最大光光转化效率为~32%（相对 总的泵浦功率）。泵浦源的输出光纤和空芯光子晶体光纤通过熔接的方式连接在 一起，能够有效提高系统的稳定性，为下一步实现系统的全光纤化打下了很好的 基础。本文为实现 1.7 μm 波段光纤激光输出提供了一种简单有效的新方式，如 果选用可调谐 1.5 μm 光纤激光器作为泵浦源，可以方便实现 1.7 μm 波段可调谐 激光输出，具有广泛的应用前景。