Газовые лазеры в полых волокнах [Приглашённая статья]

Свет в полой нити

Представьте тонкую, как волос, стеклянную трубку, у которой центр не заполнен стеклом, а пуст и заполнен газом. Если ввести в один конец подходящий свет, то вместо простого прохождения газ и свет взаимодействуют и создают мощные новые лазерные цвета, в том числе длины волн, которые сегодня трудно получить другими средствами. Этот обзор объясняет, как работают такие «газовые лазеры в полых волокнах», как их строят и почему они могут изменить приложения — от высокоскоростной связи до мониторинга загрязнений и даже медицинских процедур.

Зачем нужны полые волокна

Классические волоконные лазеры проводят свет через сплошное стеклянное ядро. Это отлично работает в знакомой ближней инфракрасной области, используемой в телекоммуникациях и промышленной резке, но сталкивается с фундаментальными ограничениями при попытке увеличить мощность или перейти на сильно отличающиеся длины волн, особенно в средне‑инфракрасной области, где многие молекулы сильно поглощают свет. Полые волокна переворачивают эту идею: свет в основном распространяется по пустому центральному каналу, а тонкая стеклянная структура вокруг него удерживает пучок. Поскольку свет лишь немного контактирует со стеклом, такие волокна выдерживают более высокие мощности, дают меньше искажений и могут быть заполнены газами, выполняющими роль активной среды лазера. Такое сочетание обеспечивает компактность и качество пучка волоконных систем при гибкости газовых лазеров.

Две семьи полых волокон

Статья сначала прослеживает эволюцию самих полых волокон. Ранние конструкции, называемые волокнами с фотонной запрещённой зоной, использовали сложную решётку микроскопических воздушных отверстий, чтобы захватывать определённые длины волн, достигая впечатляющей, но относительно узкой полосы пропускания. Новая семейство — антирезонансные волокна — опирается вместо этого на тонкие стеклянные стенки, которые действуют как крошечные зеркала для широких диапазонов длин волн. Усовершенствования, такие как ядра с отрицательной кривизной и вложенные капилляры, последовательно снижали потери до уровня ниже 0,1 дБ/км, в некоторых случаях превзойдя стандартные телеком-волокна. Эти достижения критичны: чем ниже потери в диапазоне накачки и в лазерном диапазоне, тем эффективнее газонаполненное волокно может усиливать или преобразовывать свет, особенно в глубокой средне‑ИК области.

Два способа, которыми газы создают новый свет

Внутри полого волокна газ может приводить к генерации лазерного излучения двумя основными механизмами. В лазерах на инверсии населённостей накачка переводит молекулы газа в более высокие колебательные состояния; при их возвращении вниз выделяется средне‑инфракрасное излучение на чётко определённых длинах волн. Тщательно подобранные газы, такие как ацетилен, углекислый газ, бромоводород и угарный газ, могут излучать около 3–5 микрометров — научно и технологически важной области, труднодоступной для сплошностеклянных волокон. Второй путь — стимулированное Рамановское рассеяние — не требует совпадения с узкой линией поглощения. Вместо этого интенсивная накачка передаёт энергию молекулярным колебаниям, поэтапно сдвигая цвет света. С подходящими газами, такими как водород, метан и дейтерий, этот подход породил линии от ультрафиолета до средне‑инфракрасного, включая рекордный выход 110 ватт около 1,15 микрометра.

Мощность, цвет и практичные конструкции

Обзор подчёркивает быстрый прогресс в производительности и инженерии. В системах на инверсии населённостей волокна, заполненные ацетиленом, достигали более 20 ватт около 3,1 микрометра, тогда как углекислый газ и бромоводород давали многоваттные пучки около 4 микрометров. Важны продуманное тепловое управление, хитрые конструкции газовых ячеек и всё более низкопотерные вложенные волокна. В системах на Рамановском подходе исследователи построили как свободно‑пространственные, так и полностью сварные все‑волоконные схемы, иногда используя решётки Брегга для формирования компактных резонансных полостей. Каскадные ступени могут поэтапно переводить длину волны от стандартных наносекундных насосов на одну микрометровую область почти до трёх микрометров и дальше. Наряду с экспериментальной работой детальные модели теперь направляют выбор давления газа, длины волокна и формата накачки, чтобы сбалансировать порог, эффективность и качество пучка.

Взгляд на практическое применение

Хотя технология ещё молода, газовые лазеры в полых волокнах уже конкурируют с традиционными активными волокнами, легированными редкоземельными ионами, и в некоторых нишах превосходят их в сложных спектральных областях. Авторы предвидят дальнейшее масштабирование мощности с помощью продвинутых архитектур накачки, смесей газов и даже альтернативных типов стекла, которые пропускают дальше в средне‑ИК диапазон. Они также обсуждают способы упростить аппаратную часть путём прямой сварки полых волокон с обычными сплошными волокнами с очень малыми потерями и минимальными отражениями назад. Если нынешние тенденции сохранятся, эти полые нити света и газа могут стать практичными источниками для дистанционного зондирования, магистральных каналов связи, точной спектроскопии и промышленной обработки — давая яркие, чистые лучи на длинах волн, которые раньше считались недоступными.

Цитирование: Wang, Z., Pei, W., Zhou, Z. et al. Hollow-core fiber gas lasers [Invited]. Light Sci Appl 15, 208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02256-y

Ключевые слова: полое волокно, газовые лазеры, средняя инфракрасная область, стимулированное комптоновское/Рамановское рассеяние, волоконная оптика