（光学专业论文）喇曼光纤激光器及其应用研究.pdf

摘要 摘要 喇曼光纤激光器以光纤中的受激喇曼散射为基础，具有输出功率高且输出 波长灵活的特点，在通信、传感、医学、科研等多个领域都有重要的应用价值， 因而引起了人们的广泛兴趣。同时，以其为泵浦源产生的超连续谱，由于其良 好的物理特性和广阔的应用前景也成为近期研究的热点。本论文从理论和实验 两个方面对喇曼光纤激光器进行了系统的研究，并对喇曼光纤激光器在泵浦产 生超连续谱方面的应用进行了深入的探讨。主要内容如下： 1 喇曼光纤激光器理论研究 从光纤中受激喇曼散射的基本理论出发，总结了不同喇曼光纤激光器的理 论模型，并采用数值模拟的方法进行求解。 对于不同增益介质，分析研究了光纤长度、输出耦合比、附加损耗等参数 对单波长喇曼光纤激光器输出特性的影响，并对激光器的各个参数进行了优化 设计。 研究了泵浦功率和输出光栅反射率的变化对多波长线形腔喇曼光纤激光器 输出特性的影响，并对输出光栅反射率进行了优化，以实现各输出波长的功率 均衡。 对多波长环形腔喇曼光纤激光器进行了数值模拟。结果表明，增益光纤长 度和输出耦合比对激光的输出功率有重要影响，而且使激光器的输出峰值波长 发生漂移，而光谱平坦度则主要与输出耦合比有关。论文还对产生这些现象的 物理机制进行了分析。 2 线形腔喇曼光纤激光器实验研究 设计并研制出第一根国产磷硅喇曼光纤，对其喇曼散射特性进行了研究， 为高功率喇曼光纤激光器的全国产化迈出重要一步。 以自行研制的磷硅光纤为增益介质，构建了单级和两级喇曼光纤激光器， 并对激光器的性能进行了研究。研制的输出波长为1 2 4 5m 和1 4 9 5m 的喇曼 光纤激光器，输出功率分别达到2 8w 和2 ow 。 综合利用磷硅光纤中磷元素和硅元素的喇曼散射特性，分别构建了1 3 1 5n m t 摘要 和1 4 1 4 m 喇曼光纤激光器，对1 4 1 4 m 激光器中1 3 1 5 ms t o k e s 波产生光谱旁 瓣和展宽现象进行了分析，指出合理设计和控制喇曼光纤的色散分布对激光器 输出特性的重要性。研制的1 3 1 5m 和1 4 1 4n m 级联喇曼光纤激光器输出功率 分别达到3 6 0 w 和1 4 7 w 。 创建了一种采用多个f p 喇曼谐振腔并联结构的全新型双波长喇曼光纤激 光器，其运转波长为1 4 l “1 4 9 5n m 、最大输出功率达到1 8 7w 。若将该激光器 用作喇曼光放大器的泵浦源，并与c 波段铒光纤放大器配合，可实现全波段( s + c + l ) 光信号的放大。 国产化磷硅光纤喇曼激光器的研究工作在国内尚属首次。 3 环形腔喇曼光纤激光器实验研究 构建了多级级联型环形腔喇曼光纤激光器，并对其输出特性的演化进行了 详细的分析。研究工作表明，耦合器的透射特性直接影响谐振腔损耗分布，进 而引起s t o k e s 波产生位置的变化；详细分析了泵浦光功率变化时s t o k e s 波的产 生与湮灭现象，分析认为，此现象是由s t o k e s 波问的喇曼泵浦作用导致的：对 s t o k 波的展宽与分裂现象进行了探讨，认为受激喇曼散射和四波混频过程是产 生这些现象的主要原因。 对密集型多波长环形腔喇曼光纤激光器的工作原理进行了研究，提出综合 利用光纤中的受激喇曼散射效应和四波混频效应的研究方案，以提高激光器的 输出性能。采用色散位移光纤为增益介质、选用优化设计的具有合理透射特性 的w d m 耦合器构建了密集型多波长环形腔喇曼光纤激光器，获得了预期的1 5 】【】【 n m 波段多波长激光输出。进而对影响激光器输出波长、隔离度、光谱平坦度和 输出光谱范围的因素进行了详尽的分析与讨论。所研制的密集型多波长环形腔 喇曼光纤激光器输出波长个数达1 9 个，波长间隔0 8m ，输出波长范围1 5 6 6 2 n m 1 5 8 1 4n m ，隔离度大于2 5d b 。 4 喇曼光纤激光器泵浦产生超连续谱的研究 采用自行研制的喇曼光纤激光器为泵浦源，设计并构建了在单模g 6 5 2 光纤 中产生超连续谱的四种不同结构的装置。对四种结构中超连续谱的展宽过程进 行了分析与比较。在比较研究的基础上，对光纤光栅、腔结构和泵浦光波长对 超连续谱的影响进行了分析。研究结果证明，我们独创的嵌套式腔结构是产生 超连续谱的最优装置。 t t 摘要 我们对最优化的嵌套式腔结构中超连续谱的产生过程进行了更为深入的研 究。用光纤中的调制不稳定性、四波混频和受激喇曼散射效应对这种结构中超 连续谱的演化过程进行了解释。对光纤长度和输出端光栅的特性对超连续谱的 影响进行了研究，研究工作获得了十分有意义的结果：通过对输出端光栅进行 调谐，可以很方便地对超连续谱的光谱形状进行调整，以满足不同应用领域的 需要。 利用我们独创的嵌套式结构产生超连续谱的新颖装雹，仅用3 5 h 1 g 6 5 2 光 纤，即获得了宽度达1 0 2m ，光谱范围为1 2 7 2n m 1 3 7 4n ，最大输出功率达 到1 3 w 的超连续谱。这种嵌套式结构产生超连续谱的装置在国内外相关文献中 未见报道。 关键词：受激喇曼散射、光纤、喇曼激光器、非线性光学、超连续谱 i i i a b s t r a c t r 且m a n 五b e rl a s e r s ( r h - s ) a r eb a s e do n l es 血d u l 批dr 锄a ns c 甜e 血g ( s r s ) p r o c e s s e si no p 石c a l6 b e r s ，柚dh a v et l l ea d v a n k 喈e so fh i g ho u i p u tp o w e ra n d c u s t o m i z a _ b l e to p e 枷n gw a v e l 即g 山b e c a u s eo ft h e i rn u m 删sa p p l i c 撕o n si n t e l e c o 衄u n i c 硝o n ，r e m o t es e l l s h g ，m e d i c i l l e ，舳ds c i e n t i f i ca r e 舔e t c ，列f l sh a v e d t t c d m c ha t t e n t i o n s i n l u l t 锄e o l l s l y ，t h es u p e r c o n t i i l l l a ( s c ) s t i m u l a t e db yr f l s b e c o m ear e s e a r c hh o t s p 0 d u et 0t h e i rg o o dp h y s i c a lc h a r 8 c t e r i s 6 c sa n db m a d a p p l i c 甜o n 眦i n i a l s 1 1 1t h i s 也e s i s ，s e v e r a l l ：i n d so fr f l sa r ci n v e s 廿鲥e d t 1 1 e 0 埘i c a l l ya n d 髓p e r i i r 峙删1 y 柚ds cg e n e 枷o nu n d e rm cp u m po fi 己f li sa l s o d i s c l l s s e di nd e t a i l t b em a i np o i n t sa r ea sf o l i o w s ： 1 t h e o i t 6 c a lr e s e a r c ho r a m a n6 b e rl a s e r 1 1 1 eo p e 删o no f s c v 删h n d so f i u sa r ea n a i y z e dt h e o r e 吐c a l l yo n 血eb a s i so f m et h e o r yo f s r s p r o c e s sw 曲n 眦e r c a lm 出o d s 1 h e a t i o n s t l i p sb e t w e e nt h ec a v i t yp a r 锄e t e r s 锄dt h eo u 中u tc h a m c t e r i s t i c so f s i n g l e - w a v e l e ”g 山r f l s1 1 s i n g 咖t y p e so fg a 血f i b e r sa r er e v e a l e d ，a n dt 1 1 e o p 廿m i 删o no f 血ec a v i 印p a r a m e t e r si sa l s op 曲r m 酣 t h ep e r f b r m 龃c e so fm 凼- w a v e l e n g c l ll h a rc 嘶t yr f l 州md i 晚r e n tp l l i n p p o w e na 工l do u 币u tc o u p l i n gr a t i o sa r ep r o c e s s e d ，a n d 血e 町瞄m i z a t i 蚰o fo u 肇u t m i r r o rr e n e c t i v 垴e sf b re q u a l i z e d1 a s e rl i n e si sc a m e do 咄鹅w c l l s i 血i a r l y ，t h em 蛳- w a v e l e n g 血血gc a v i t yr f l i sa l s os i 田u l 删t b e 删n 肋e f l e n g 山a n dt h eo u 中u tc o l l p l i n gr a d oc a l ld i r e c t l ya 位c tt h el a s e ro u 土p i i tp o 、张ra i l d d r i f tt l l ei a b e rp e a kw a v e l e n g 血，w h i l e 血en a 恤c s so ft 1 1 eo u t p u ts p e c 岫i sm a h d y r c l a t c d 、 r i 也也eo u t p l i ic o u p l i i l gm d o 2 e x p e r i m 蚰t a i 陀s e a 比ho nl i n e a rc a v 时r f l s a p h o s p b o s i l i c a t er 哪a 1 16 b e ri sd e s i 驴e d dm 锄u f h c n i r e df o rt l l ef i r s tt i 玎l ei n c h i n a 柚dt h es r sp m p 叫i e so f t l l i s 舳e ra r ei n v e s t i g a t e d o n e 0 r d e ra 1 1 dh o - o r d e rc a s c a d e dr f l s 谢t l l0 u t p u tp o w e ro f 28wa t1 2 4 5 蛳 i v a b s n l c t 卸d2 owa t1 4 9 5n ma r ed e m o n s h 劬d 璐i n g h o m e - p r o d l l c c dp h o s p h o s i l i c a t c 曲e r 1 1 1 es p 咖a l b r o a d e l l i n g 皿d 血e 啪v e l e n g t hd r i f to f 血es t o k e s 、v a v ea r c 柚a l y z e d u 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u _ c p u tc h a r a c t e r i 蚶c s b 船e do nt 1 1 ec o m p a r i s o i i ，t 1 1 e i n n u c n c e so f 血ef 毫e d b a c k 丘b c rb r a 鹊g 吼t i n g s ( f b g s ) ，c a v i t y 批t i 柚dp u l p w a v e l e n g mo ns cc h a r a c t e r i s t i c sa r ea i i a l y z e d n eg r o w 山o ft 1 1 es ci l l 曲n o v e ln e s 吲1 i n e 盯c 捌t yi si n v e s t i g a t 酣i nd e t a i l 1 1 1 es cg e n e r 撕0 ni se x p l a i n e d 谢也血ec 0 0 p e 枷o ne 位c 乜o f m o d u l 撕0 ni n s t 如i u t y q 毋，s r s ，a i l df w m 1 1 1 es p e c 姐谢也d i 船i e n ts m f1 c n g 虹f e e d b a c kf b g r e n e c t i v i 哆a n dr c n c c tw a v e l e n g i l la r ea l s os t u m e d ni sf o u n dt h 鸸t h es p e c t r a l p m f i l eo fs cc 卸b ee 船i l ya d j u s t e db yt 【l n i n gt h ef e e d b a c kf b oi nt l l i s s 乜u c n 】r e a c c o r d m gt os p e c i a lr e q l l i r e m e n 协 w 也t 1 1 en o v e ln e s t e dl i n e a rc a v 蛔s 仕u c t u r e ，a i ls cc c n t c r e da t1 3 1 5m 耐t h b a l l d 诵d 血o f1 0 2 衄粕do u t p u tp o w e ro f l 3wi s h i e v e d a l t h o u g ho n l y3 5k m s m fa r ee m p l o y e d k e ) w o r d s ：s t 衄u i a t e l l n a i ls c 毗e r i n g ，0 p d c a l6 b e lm 1 1 n a nl a s e ln o i l l i n e a r o p t i c s ，s u p e r c o i m n u 吼 v i 南开大掌学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文啐j 1 霞轧千溆麦j 函矗受缸砷毵 系本人茬 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并己通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如困不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 壶珏盍堂旦盘丝差王埕在! 。僮盥堂僮论塞曲笪理盘造。同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、l 文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：才矽遇髻f 纠 作者签名：j 与岛 学号：。；，t 芦善 日期：2 一乒f 卞月3 。日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：j 马芍 。一彩年月；。日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：j 与呜 。) 利年月弓。日 第一章绪论 第一章绪论 激光技术的提出与实现，是上世纪最伟大的科学成就之一。激光的出现深 刻地影响和变革了我们的生产和生活方式，一大批新的技术手段、加工方式和 工业产品先后出现，并深入到科学研究、工业生产、甚至日常生活中的每一个 角落，极大地推动着社会的发展。而上世纪末期，将光纤技术和激光技术紧密 结合在一起而产生的光纤激光器，则是激光器家族中新升起的一颗耀眼的明星。 它不但像其它激光器一样具有单色性好、方向性强、能量集中度高等特点，还 具有体积小、重量轻、结构灵活、散热简便等优点，因而在光通信系统、光纤 传感、信息采集与处理、材料科学等诸多领域都发挥着不可替代的作用。而利 用光纤中的非线性效应获得增益的喇曼光纤激光器，则是光纤激光器中极赋特 色的种。 第一节喇曼光纤激光器概述 上世纪后期，光纤概念的提出和制造技术的实现，给光学设备的设计理念、 实现方法和加工技术等各个方面都带来了一场革命，各种以光纤为主要组成部 分或关键结构的仪器设备层出不穷，而光纤化也成为各种光学仪器发展的一个 新方向，激光器也不例外。随着光纤制造工艺的逐渐成熟，光纤的物理性能不 断得到改善，目前以石英为基本材质制成的光纤，其光学损耗已经降低至0 0 2 d b 脑n ，而纤芯所能承受的功率密度则高达数百m w 2 ，这样就为实现长距离、 高强度的非线性光学相互作用提供了可靠的物质基础。另一方面，上世纪九十 年代出现的双包层泵浦技术大大推动了稀土掺杂光学激光器的发展，使得高功 率激光可以很容易地耦合进入单模光纤中，有效的提高了注入纤芯中的光功率 密度，为高效率的非线性光学效应的产生提供了足够的能量来源。有了以上两 个基本条件，以光纤为基本工作物质、以非线性光学效应为基本增益原理的各 种非线性光纤激光器也蓬勃发展起来。在此类激光器中，最有代表性、实用性 最强的当属喇曼光纤激光器，因而在近年来引起了人们的广泛关注，成为光纤 激光器研究中的热点之一。 1 1 1 喇曼光纤激光器工作原理与组成 喇曼光纤激光器是利用光纤中的受激喇曼散射效应作为基本原理来实现激 光振荡的。 受激喇曼散射效应是高强度的激光与工作介质的振动模式相互作用产生的 一种三阶非线性光学效应。它表现为，当一束光入射到非线性介质中时，入射 光会被介质分子散射而产生一束频率较低的散射光( s t o k e s 光) ，同时介质分子 完成振动态之间的跃迁，并且此过程中能量保持守恒，入射高频光子和散射低 频光子的频率差由介质分子的振动态能量决定( 如图1 1 ) 。由此可见，受激喇 曼散射效应中，短波长的泵浦光被吸收，同时长波长的信号光得到放大。 蝌11 光纤中的喇曼散射效应不意图 当一束光波在光纤内传输时，也会发生喇曼散射效应，当入射光功率超过 某一阀值时，则会产生相对于入射光波具有固定频率下移的s t o k e s 波，两束光 波同时在光纤中传输，s t o k e s 波就会受到喇曼增益而被放大。若在光纤两端配 以适当反射率的反射镜，对s t o k e s 波提供光反馈，即可形成激光振荡，构成喇 曼光纤激光器。当泵浦光的功率足够强时，被放人的s t o k e s 波又将激起第二级 乃至更高级次的s t o k e s 波，从而形成级联受激喇曼散射。合理设计并加入与各 级s t o k e s 波波长对应的反馈腔镜，则可构成级联型喇曼光纤激光器。 喇曼光纤激光器主要由泵浦源、增益光纤以及谐振腔三部分组成，这三部 分的性能与特点直接决定了喇曼光纤激光器的输出特性。 2 第一章绪论 泵浦源为喇曼光纤激光器提供能量来源，其性能决定着喇曼光纤激光器的 实用性和应用领域。由于喇曼散射效应是一种强光非线性效应，因此要求泵浦 源必须具有足够大的输出功率和高质量的输出模式。早期的喇曼光纤激光器采 用固体激光器作为泵浦源，功率较低而且耦合效率不高，使得当时的喇曼光纤 激光器难以达到使用的水平。近年来，各种新型光纤技术和激光技术的涌现和 完善，为喇曼光纤激光器性能的突破创造了十分有利的条件。尤其是双包层光 纤技术的出现，使稀土掺杂光纤激光器的输出特性获得了飞跃，转化效率可达 8 0 ，输出功率可达千瓦以上。”，而且仍旧保持很好的光束质量，使得与喇曼 光纤激光器其它部分的拼接难度大大降低。因此，高功率双包层稀土掺杂光纤 激光器成为喇曼光纤激光器的首选泵浦源。 增益光纤是喇曼光纤激光器的工作介质，是激光器的核心组成部分。石英 光纤是构建喇曼光纤激光器最常用的增益光纤，在早期单模光纤的s r s 实验中， s t o l e n 等人对石英光纤中的喇曼增益谱进行了测量( 如图1 2 ) “，结果表明， 石英光纤的喇曼增益范围很宽，达到4 0t h z ，而其喇曼增益系数舀的峰值则位 于泵浦光频率f 移1 3 2t h z ( 对应波数为4 4 0c m _ 1 ) 处。而当石英光纤中掺入 较高浓度的锗( g e ) 时，光纤的喇曼增益系数会显著提高，并使喇曼增益峰向 短波长方向有微小偏移，同时由于瑞利( r a y l e i g h ) 散射系数增加使光纤的传 输损耗也有所增大0 1 。这种光纤称为锗硅光纤或喇曼增强光纤。当石英光纤中掺 入较多的磷( p ) 元素时，光纤的喇曼增益谱中将出现一个频移量为1 3 3 0c m _ 1 的新增益峰( 如图1 3 ) “3 ，这种光纤称为磷硅光纤。锗硅光纤和磷硅光纤是喇 曼光纤激光器最常使用的两种增益光纤。 图12 石英光纤中的喇曼增益谱 图1 3 磷硅光纤中的喇曼增益谱 3 jd】c召g目篮 第一章绪论 谐振腔的结构则是设计喇曼光纤激光器的关键。对激光器的谐振腔进行精 心设计和仔细优化，可以大大提高所需波长的s t o k e s 光的转化效率和输出功率， 并使激光器的其它性能指标，如输出激光线宽、可调谐范围等达到最优。此外， 通过合理选择谐振腔结构还可以降低激光器的复杂度、节约制造成本、提高稳 定性等。喇曼光纤激光器的谐振腔结构主要有线形腔和环形腔两种。线形腔结 构设计方便、转化效率高，在制作单波长或输出波长数目较少的高功率激光器 时具有明显的优势；环形腔激光器结构简单、波长可调谐性好，特别适于制作 密集型多波长激光器。因此，这两种谐振腔结构在喇曼光纤激光器中都占有重 要地位。 1 1 2 喇曼光纤激光器的主要特点 常见的光纤激光器多采用在光纤中掺入各种稀土离子，利用稀土离子的发 光特性获得增益，实现激光振荡。这些激光器与其它依靠工作物质固有的能级 间跃迁时产生的光辐射为基本原理的激光器具有类似的特点。而喇曼光纤激光 器则是以光纤中的光学非线性效应为基础来实现激光输出的。这种原理上的不 同，使喇曼光纤激光器与其它光纤激光器相比，在很多方面显现出鲜明的特点。 ( 1 ) 输出波长灵活，能够在其它激光器无法工作的波段产生激光 稀土离子掺杂光纤激光器是靠稀土离子的能级问的辐射跃迁来实现激光增 益的，其输出光谱特性受稀土离子本身的能级结构限制。因此，这类激光器只 能在特定的光谱范围内产生激光。比如，掺镱光纤激光器的输出波长范围约为 1 o 1 2hm ，而掺铒光纤激光器的主要输出波长范围则为1 5 2 5 1 5 6 5n m 。 喇曼光纤激光器的输出波长则由泵浦光波长和工作物质的振动能级共同决定， 通过改变泵浦光的波长就可以灵活改变激光器的输出波长，因此，从理论上说， 只要具备适合的泵浦源，喇曼光纤激光器就可以在任意波长实现激光振荡。这 样，喇曼光纤激光器就大大拓展了光纤激光器的输出范围，可以在其它激光器 无法工作的波段实现激光输出。 ( 2 ) 具有级联特性，使输出波长的范围更广 对于稀土掺杂光纤激光器，必须选择输出波长位于粒子吸收区域的光源作 为泵浦源才能工作，而喇曼光纤激光器则没有这种要求，只要功率密度足够高， 4 第一章绪论 任意波长的光都可以作为泵浦光。所以，当泵浦光的功率足够强时，不但会产 生一级s t o k e s 光，而且s t o k e s 光还将作为新的泵浦源激起第二级乃至更高级 次的s t o k e s 光，形成级联受激喇曼散射。利用这种特性，当用一次喇曼频移无 法在所需要的波长获得激光输出时，就可以设计级联结构，通过多次喇曼频移， 将泵浦光能量逐级转化到所需要的波长，从而使激光器的输出波长具有更高的 灵活性。 ( 3 ) 可采用多波长泵浦，扩大增益范围 对于稀土掺杂光纤激光器，其增益范围与增益的大小只与粒子的能级结构 有关，与泵浦光的波长和数目没有关系。而对于喇曼光纤激光器，其泵浦光的 光谱特性则直接影响激光器的增益特性。当改变泵浦光波长时，激光器的增益 波长的峰值也随之改变。而增加泵浦光波长的数目则会导致激光器的增益范围 的变化，新增加的泵浦光会在新的范围内产生增益，拓展原有的增益范围。此 外，通过调整不同波长泵浦光的功率，还可以改变激光器的增益轮廓。因此， 通过增加泵涌波长数目，合理设计泵浦光的功率分布，就可以有效扩大喇曼光 纤激光器的增益范围，并在整个增益范围内实现增益平坦。这对于制作宽光谱 范围、功率均衡的多波长光纤激光器十分有利。 ( 4 ) 模式竞争效应弱，适于多波长同时输出 能够同时提供多个波长输出的激光器在现代光纤通信、光纤传感、光学检 测以及科学研究、国防技术等多个方面都有重要应用。多波长激光器的构建与 实现一直是激光技术研究中的重点之一。要实现稳定的多个波长同时输出，除 需要工作介质具有足够宽的增益范围外，还需要各个输出波长激光的相互影响 足够小。然而相当一部分稀土离子在室温下属于均匀展宽，不同的谐振波长都 消耗同一组反转粒子，导致各激射波长发生强烈的竞争，难以形成稳定的多波 长输出。为减弱这种模式竞争效应，就必须在激光器中引入各类烧孔效应或插 入移频器、相位调制器等特殊装置，这样就增加了激光器的复杂程度，也使激 光器的稳定性受到影响。而光纤中的受激喇曼散射效应则属于非均匀展宽机制， 各谐振波长之间的相互作用很弱，不需要引入特殊机制就可以在室温下实现稳 定的多波长输出，制造工艺简单，成本低廉，而且可靠性更高，为制作密集型 多波长激光器提供了有利条件。 5 1 1 3 喇曼光纤激光器的应用领域 喇曼光纤激光器的输出波长灵活，只要对泵浦光源进行合理选择和设计就 可以任意控制激光器的增益范围和轮廓，可以在同一波段内或不同波段同时获 得一个或多个波长的激光输出，大大拓展了光纤激光器的输出范围。此外，喇 曼光纤激光器还具有结构简单、无须复用器、可调谐、全光纤运转、易于与光 纤器件对接等一系列优点。因此，虽然喇曼光纤激光器的发展历史不长，但它 已经在通信、传感、科学研究、信息工程、工业制造以及国防事业等诸多领域 显示了良好的应用前景。 ( 1 ) 光纤通信 随着光纤互联网和数据业务的增长，进一步提高通信系统容量成为光通信 产业发展的迫切要求。这种情况下，分布式喇曼光纤放大器以其低噪声和几乎 无限制的应用带宽成为以砌 技术为基础的现代大容量通信系统中不可缺少的 组成部分“1 。而喇曼光纤激光器则是泵浦喇曼光纤放大器的最适合的泵浦源。 首先，喇曼光纤激光器可以轻易达到理想喇曼光纤放大器所要求的8 0 0 1 5 0 0 w 的泵浦功率”：其次，利用单个喇曼光纤激光器即可得到多波长输出，实现喇曼 放大器宽带增益平坦“”1 ，而无须使用复杂而昂贵的多路复用器；而且，喇曼光 纤激光器的输出波长对外界环境不敏感，更有利于喇曼放大器的工作稳定。另 外，喇曼光纤激光器还可用于泵浦掺铒光纤放大器和制作超宽带多波长光纤激 光光源。此外，利用高功率光纤激光器做泵浦源可以构建密集型宽带多波长喇 曼光纤激光器，该激光器能够在几十n m 范围内同时产生数十个波长的激光输出 “”，可为密集波分复用系统提供理想的信号载波源。 ( 2 ) 光纤传感 现代分布式光纤传感系统可以同时对多个监测点的被测量值进行实时测 量，大大提高了数据采集的丰富程度和准确度。而性能良好的探测信号源则是 分布式光纤传感系统中不可缺少的关键部件，它通常采用能与光纤器件实现低 损耗对接的高性能多波长激光器。多波长激光器的实现方法主要有半导体激光 器阵列”1 、掺铒光纤激光器“”“1 、布里渊光纤激光器“、喇曼光纤激光器“”1 几种。其中半导体激光器阵列结构小巧，但工艺复杂，成本极高：掺铒光纤激 6 第章绪论 光器需要克服常温下铒离子的均匀展宽造成的模式竞争，装置复杂且稳定性差： 布里渊光纤激光器的输出波长数目众多，但波长间隔无法调整，都存在缺点。 而喇曼光纤激光器的增益范围可自由调整，而且为非均匀展宽，波长间隔的调 节也十分方便，还不需要复用系统。因此，多波长输出的喇曼光纤激光器具有 结构紧凑、工艺简单、输出波长灵活可调、稳定性好等多个优点，完全可以满 足现代光纤传感系统的需要。 ( 3 ) 激光雷达 激光雷达是利用近红外及可见光波段的激光代替原来的无线电波以及微波 而实现雷达的原有技术的新型雷达。由于激光雷达的工作波长较短，因此与微 波雷达相比，激光雷达呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力。而且还具有结构 小巧、可以获得清晰图像等独特优势，在军事、大气遥感、环境监测等方面都 有应用。采用喇曼光纤激光器可以拓展激光雷达的工作波段，如利用波长为 1 6 1 8u m 的喇曼光纤激光器可咀用来制造对眼安全的激光雷达”1 。这种雷达 是少数几种可以建立在人口较为密集的地区的激光雷达，它能够对城市中的大 气质量进行监测，或对贴近地表的悬浮物状况进行测量，是现代城市发展中对 城市环境进行控制与研究的重要仪器。 ( 4 ) 现代显示技术 全球化实时性信息交流的实现使得显示产业正成为电子信息产业的支柱产 业，在推动信息化进程中起着不可忽视的作用。进入新千年，显示技术也正在 发生一场革命，各种新型显示技术不断出现，其中激光显示技术便是其中一个 重要的发展方向。激光显示技术采用不同波长的激光组合成彩色发光系统，与 l c d 、p d p 等技术相比，激光显示具有更大的色域和更高的色饱和度，可显示真 实、丰富、鲜艳的色彩“。现在激光显示技术已成为国际公认的实现超大色域、 超高分辨力和超大屏幕的光电显示技术。而喇曼光纤激光器具有波长选择灵活 的特点，与其它非线性器件相配合，可以很方便地在可见光频域范围内实现各 种波长的激光输出，非常适合作为激光电视的显示光源。2 0 0 4 年，y f e n g 等 人已经利用喇曼光纤激光器成功实现了5 6 91 1 r n 、5 8 9n m 和6 0 6 5n m 的激光输 出，展示了喇曼光纤激光器在激光显示技术中的应用前景。 ( 5 ) 医疗诊断器械 7 第一章绪论 伴随着人们生活质量的提高，人们对健康的追求也越来越重视，因此现代 生物技术和医疗器械得到了突飞猛进的发展，各种先进手段与技术都相继应用 到医学领域中。喇曼光纤激光器由于结构紧凑、相对廉价，而且无气体、染料、 溶剂等，特别适合应用到医学领域。比如，采用喇曼光纤激光器作为泵浦源， 可以在光纤中产生光谱宽度达几百n m 的超连续谱，而且功率达到w 级以上，可 以作为光学相干层析( o 四) 系统的光源，对口腔、角膜、食道、肠道等器官进 行探测，并无损伤地了解其结构成分。另外，喇曼光纤激光器由于输出波欧可 根据需要进行调整，而且功率较高，还可以应用在生物活性检测、药理分析、 皮肤外科、热疗等多个方面。 由于喇曼光纤激光器输出波长灵活，大大拓展了激光器的应用波段，因此 除在以上几个方面的应用外，喇曼光纤激光器还可应用于航空航天、生物制药、 材料检测与加工等诸多领域，并且为科学研究、工业生产等方面的进步提供了 新的技术手段。随着喇曼激光技术的不断发展，激光器性能的不断提高，喇曼 光纤激光器必将在越来越多的领域中发挥重要的作用。 第二节喇曼光纤激光器发展状况 喇曼光纤激光器作为一种典型的非线性光纤激光器，与稀土掺杂光纤激光 器具有不同的特点，在很多领域都具有独特的应用优势。另外，通过对喇曼光 纤激光器进行深入的研究，不仅可以更清楚地了解光纤中的受激喇曼散射现象， 而且可以使人们对喇曼散射与其它非线性效应的相互作用的认识更加深刻，丰 富现有的光学理论体系。因此，开展喇曼光纤激光器的研究具有重要的现实意 义和学术价值受到国内外科研机构的广泛重视。 1 2 1 国内外研究进展 早在2 0 世纪7 0 年代，人们就已经在光纤中观察到了喇曼激光振荡“。但 受到当时光纤制作工艺和泵浦源的限制，喇曼光纤激光器的能量转换效率和输 出功率都很低”，一直未被人们重视。 自上世纪末，一系列光纤光学方面的技术突破使得高功率喇曼光纤激光器 得以实现。大功率双包层光纤激光器的出现使得在1 0 6 pm 波段可以获得几百 8 第一章绪论 甚至上千瓦的高质量激光输出”，成为喇曼光纤激光器最有效的泵浦源。光敏 光纤的研制成功和光纤内写光栅技术的实现o 。为喇曼光纤激光器提供了高效的 反馈系统，保证了喇曼光纤激光器可获得较高的转化效率并保持紧凑的结构。 而高增益低损耗喇曼光纤制造技术”3 则使喇曼光纤激光器的转化效率得到进一 步的提高。 1 9 9 3 年，俄罗斯普物所的d i a n o v 等利用波长1 0 6 0n i n 的n d ：y a g 激光器泵 浦锗硅光纤，实现了1 2 4 0n m 的级联喇曼散射，标志着第一台级联喇曼光纤激 光器的问世”1 。1 9 9 5 年，s g g r u b b 等人利用锗硅光纤实现了五级喇曼频移， 在l - 4 8 u m 处获得了高功率激光输出。此后，英、韩、日、新加坡等发达国 家都先后开展了这方面的研究。1 9 9 7 年，由于巳0 ；可以提供三倍于g e 吼的喇 曼频移，俄罗斯的研究人员以磷硅光纤作为增益介质，仅通过两级喇曼变换， 就获得了1 4 8 0n i r i 的激光输出，大大简化了激光器腔结构，降低了制造工艺 的难度，同时提高了转化效率和可靠性，从此，利用磷硅光纤作为增益介质成 为喇曼光纤激光器研究中新的热点。“。同时，英国和韩国的科学家提出了以 w d m 耦合器为基础的环形腔级联喇曼光纤激光器“”1 ，为避免过多使用光纤光栅， 简化激光器的腔结构提供了一条新的途径。输出波长可以灵活选择，是喇曼光 纤激光器的一大特色，在泵浦源不变的