近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部特種玻璃與光纖研究中心團隊，針對乙炔填充的空芯光纖氣體激光器(A-HCFGL)轉(zhuǎn)換效率提升展開研究，利用數(shù)值仿真揭示了緩沖氣對輸出的影響，并搭建實驗平臺進行驗證。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，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輻射弛豫。研究團隊發(fā)現(xiàn)，氨氣v1和2v2能級能量水平接近乙炔下能級，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積累的粒子可以通過碰撞轉(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，研究團隊利用數(shù)值模擬研究了不同弛豫對于輸出的影響，首次提出氣池直徑對于氣體激光的影響，解釋了乙炔與空芯光纖結(jié)合后才觀測到三微米激光產(chǎn)生的原因。并且引入緩沖氣，從仿真和實驗上驗證了緩沖氣對于輸出的改善。在乙炔-氨氣比為3:1，7 mbar下獲得最大35.74 %的轉(zhuǎn)換效率，這是迄今為止所報道的最高效率。本項工作對于進一步提升光纖氣體激光性能提供了新的研究思路。
 

　　相關(guān)工作得到了國家自然科學基金、上海市啟明星計劃等項目的支持。
 

　　圖1 (a)不同光纖長度、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混氣以光纖長度為函數(shù)的模擬結(jié)果。

 

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