近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)激光與光電功能材料部特種玻璃與光纖研究中心團(tuán)隊(duì)，針對(duì)乙炔填充的空芯光纖氣體激光器(A-HCFGL)轉(zhuǎn)換效率提升展開(kāi)研究，利用數(shù)值仿真揭示了緩沖氣對(duì)輸出的影響，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)成果以“Buffer gas enhancing of power conversion efficiency of continuous-wave acetylene-filled fiber gas laser at 3 μm wavelength”為題，發(fā)表于Optics Express。
 
　　乙炔激光的轉(zhuǎn)換效率受限于偶極子禁止的下能級(jí)，其向基態(tài)的轉(zhuǎn)移只能依靠乙炔分子自碰撞和與芯壁碰撞的緩慢無(wú)輻射弛豫。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氨氣v1和2v2能級(jí)能量水平接近乙炔下能級(jí)，且其向基態(tài)的躍遷是允許輻射弛豫的。這意味著乙炔下能級(jí)積累的粒子可以通過(guò)碰撞轉(zhuǎn)移到相鄰的氨氣軌道上，從而更快地回到基態(tài)，加速激光系統(tǒng)內(nèi)粒子的循環(huán)，改善最終激光輸出表現(xiàn)。
 
　　在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值模擬研究了不同弛豫對(duì)于輸出的影響，首次提出氣池直徑對(duì)于氣體激光的影響，解釋了乙炔與空芯光纖結(jié)合后才觀測(cè)到三微米激光產(chǎn)生的原因。并且引入緩沖氣，從仿真和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了緩沖氣對(duì)于輸出的改善。在乙炔-氨氣比為3:1，7 mbar下獲得最大35.74 %的轉(zhuǎn)換效率，這是迄今為止所報(bào)道的最高效率。本項(xiàng)工作對(duì)于進(jìn)一步提升光纖氣體激光性能提供了新的研究思路。
 
　　相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市啟明星計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1 (a)不同光纖長(zhǎng)度、芯徑下最大輸出功率的模擬結(jié)果；(b)芯徑分別為20cm、90μm和在90μm內(nèi)以3:1混氣的輸出表現(xiàn)；(c)乙炔-氨氣不同總壓，不同比例下的輸出模擬；(d)純乙炔和3:1混氣以光纖長(zhǎng)度為函數(shù)的模擬結(jié)果。
 

　　圖2 (a)實(shí)驗(yàn)裝置；(b)不同氣壓和不同混氣比例的實(shí)驗(yàn)輸出曲線；(c)7mbar總壓，3:1混氣下3W的輸出光譜。