（无线电物理专业论文）高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究.pdf

摘要 随着全球通信业务快速增长，对新一代的光纤通信系统的容量提出了越来越 高的要求。从而，也相应地对现代光通信系统的核心部件光放大器提出更高 的挑战。目前，新一代光放大器拉曼光纤放大器( r f a ) 被认为最具潜力和发 展前景。其中首要问题是寻找合适的拉曼光放大器泵浦源。光纤激光器作为第三 代激光器，与传统激光器相比具有许多优点，在许多方面已体现出具备理想泵浦 源的优势。特别是拉曼光纤激光器( r f l ) 因其同时具有高功率输出及激射波长灵 活可调的特性，能弥补目前半导体激光器的不足，而成为光通信系统中的理想泵 浦源。 本论文基于光纤中受激拉曼散射( s r s ) 现象的基本原理，围绕拉曼光纤激光 器及多波长拉曼光纤激光器( m r f l ) 展开研究。 首先，概述了s r s 的基本原理，并对级联拉曼光纤激光器进行了理论分析。 给出了拉曼光纤激光器的理论模型，通过对模型的分析给出了基于 n e w t o n r a p h s o n 法的数值求解方法。同时为了提高运算速度及保证稳定性，我 们采用拉曼光纤激光器动力学方程的近似解析解作为数值算法的初始值。结果表 明，采用这种改进的数值算法可以有效提高运算速度和稳定性。 其次，分别对n d ：y v 0 4 固体激光器泵浦和掺镱双包层光纤激光器( d c f l ) 泵 浦的r f l 进行实验研究。其中用n d ：y v 0 4 固体激光器泵浦的r f l 获得了1 1 5 w 的1 4 8 4 n m 拉曼激光输出，并且其功率波动在一小时内小于6 ；采用d c f l 泵 浦r f l ，获得了3 4 4 w 的1 4 8 4 n m 拉曼激光输出，光光转换效率为2 8 1 。实 验结果都达到预期效果，并与理论基本一致。 最后，在此基础上，我们结合保偏光纤s a g n a c 环梳状滤波功能及综合利用 掺磷光纤中p 2 0 5 和s i 0 2 的拉曼频移，第一次成功地应用掺磷光纤的拉曼频移效 应实现了o 波段波长间隔可调谐的多波长拉曼光纤激光器。在1 0 6 4 n m 的泵浦功 率为2 5 w 情况下，分别实现波长间隔为0 8 n m 和0 4 3 n m 的多波长激光稳定输 出，实验结果与理论分析一致。 关键词：拉曼光纤激光器；掺磷光纤；多波长 v a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a lc o m m u n i c a t i o n s ，t h eu l t r a - h i g hc a p a c i t yo fan e w g e n e r a t i o no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi sd e m a n d e du r g e n t l y t h e r e f o r e 弱o n eo ft h e v i t a lc o m p o n e n t so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，o p t i c a la m p l i f i e r sa r ee n c o u n t e r i n gag r e a t c h a l l e n g e e s p e c i a l l y ，r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ( r f a ) a san e wg e n e r a t i o na m p l i f i e rh a sb e e n t h o u g h ta sa ni d e a la n dp o t e n t i a ls o l u t i o n h o w e v e r , ak e yp r o b l e mi st h a tas u i t a b l er a m a np u m p s o u r c ei sv e r yd i f f i c u l t l yf o u n d a sat h i r d g e n e r a t i o nl a s e r ，f i b e rl a s e r sa lea ne x c e l l e n tc a n d i d a t e a sar a m a np u m ps o u r c e ，d u et ot h e i ra d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ll a s e r e s p e c i a l l y ， b e c a u s er a m a nf i b e rl a s e r s ( r f l ) c a r lb eh i g h - p o w e ro u t p u ta n dt h ef l e x i b l el a z i n gw a v e l e n g t h , t h e y c a np e r f e c t l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr a m a np u m ps o u r c e sa n d c a nr e p l a c et h e c o n v e n t i o n a ld i o d el a s e r b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) i ns i n g l e - m o d ef i b e r , t h e d i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h es t u d yo fr f la n dm u l t i - w a v e l e n g t hr a m a nf i b e rl a s e r ( m r f l ) f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo fs r si si n t r o d u c e di nd e t a i l s t h ed y n a m i c sc o u p l i n ge q u a t i o n s g o v e r n e dt h er f la r eg i v e na n dan e w t o n r a p h s o n - b a s e ds h o o t i n gm e t h o di sp r o p o s e dt o n u m e r i c a l l ys o l v ei t i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，t h e a p p r o x i m a t i o ns o l u t i o no ft h ec o u p l i n ge q u a t i o n si su s e da sa ni n i t i a l l yg u e s s i n gv a l u ef o rt h e a l g o r i t h m i ti ss h o w nt h a tt h ec o m p u t a t i o nt i m ea n ds t a b i l i t yc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db a s e d o nt h ei m p r o v e da l g o r i t h m s e c o n d l y ，t h ee x p e r i m e n t so fr f lp u m p e db yt h en d ：y v 0 4s o l i d - s t a t el a s e ra n dd o u b l ec l a d f i b e rl a s e r ( d c f l ) a r ei n v e s t i g a t e d ，r e s p e c t i v e l y w eo b t a i nt h eo u t p u tp o w e ro f1 15 w 14 8 4 n m a n dt h ep o w e rf l u c t u a t i o nl e s st h a n6 i no n eh o u rp u m p e dw i t han d ：y v 0 4s o l i ds t a t el a s e r f u r t h e r m o r e ，ah i g h e ro u t p u tp o w e ro fa r o u n d3 4 4 wi sa l s oo b t a i n e dw h e nad c f li su s e d 弱t h e r a m a np u m ps o u r c e t h eo p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sa b o u t2 8 1 a l le x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r eg o o da g r e e m e n to nt h et h e o r e t i c a lt h o s e f i n a l l y , b yu s es r so fb o t hp 2 0 5a n ds i 0 2i nt h ep - d o p e df i b e r , i ti st h ef i r s tt i m et h a tas t a b l e a n ds p a c i n g a d j u s t a b l ep h o s p h s i i c a t em u l t i - w a v e l e n g t hr a m a nf i b e ri nt h e0 b a n di sa c h i e v e d s u c c e s s f u l l y w i t ht h ep u m pp o w e ro f2 5 w ：t h em u l t i w a v e l e n g t ho s c i l l a t i o n ss p a c e da t0 8 n m a n d0 4 3 n mh a v eb e e no b s e r v e d , r e s p e c t i v e l y k e yw o r d ：r a m a nf i b e rl a s e r ；p - d o p e df i b e r ；m u l t i - w a v e l e n g t h v l 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 年解密后适用本授权书。 作者签名舀荔朐日期：僻n 溯 导师签名：撇 日期： 昭年歹月2 1 ，日 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 第一章引言 2 0 世纪7 0 年代，制约光纤通信发展的两个主要问题相继得到解决，光纤通 信技术即以异乎寻常的速度发展。到2 0 世纪9 0 年代，除了接入网以外，光纤传 输已基本取代了传统的电缆通信，成为通信的主干。由于光纤通信具有：巨大的 传输带宽；极低的传输损耗，及可以抗强电磁干扰等特点，所以自2 0 世纪7 0 年 代以来，每隔几年光纤通信技术就上升到个新的台阶。光纤传输容量几乎每年 翻一番，由最初的第一代用作城市局间中继的光纤通信系统，发展到了以密集波 分复用( d w d m ) 与掺铒光纤放大器( e d f a ) 相结合的第四代光纤通信系统和以光 孤子为信息载体的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的每对光纤数十m b i t s 发展到当今的l o t b i t s 以上。而光纤激光器作为光通信系统中传输的重要组成部 分，并随着光纤通信系统的广泛应用和发展，将是未来高码率d w d m 系统和光 孤子通信的基础。因此光纤激光器技术己成为光电子技术及光通信研究领域中的 热点课题。 1 1 光纤激光器的发展现状及应用 2 0 世纪6 0 年代初，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o r p o r a t i o n ) 的研究人员 首先提出了光纤激光器和放大器的构想【l 捌。1 9 6 4 年世界上第一台光纤激光器 掺n d 光纤激光器【3 】问世，1 9 7 0 年美国贝尔实验室研制成功在室温下可以 连续工作的半导体光纤激光器，为光通信提供了实用化的光源。1 9 7 0 年，美国 康宁公司第一根低损耗光纤研制成功，使得光纤通信及光纤激光器的迅猛发展才 成为了可能。1 9 8 6 年英国南安普顿大学研制出的第一只掺铒光纤放大器，使得 可以直接对光信号进行放大，实现全光中继。1 9 8 8 年，美国宝丽来公司s n i t z e r 等人1 4 5 j 作出了开创性的工作，发展了一种包层泵浦技术，提高了整个光纤激光 器的光光转换效率和输出功率，为高功率激光器的发展奠下了基础。2 0 0 6 年美 国i p g 公司成功实现了连续输出功率高达3 k w 掺y b 3 + 双包层光纤激光器。对拉 曼光纤激光器的研究始于2 0 世纪7 0 年代【6 ，7 1 ，自1 9 7 2 年首次在光纤中发现受激 拉曼散射现象开始，人们就对其进行了大量的研究。但直到1 9 9 4 年d i a n o v 等人 首次利用n d ：y a g 激光器泵浦锗硅光纤实现了级联拉曼振荡i s j ，获得了波长 第一章绪论 1 2 4 9 m 的三级s t o k e s 光，才标志着第一台级联r f l 问世。1 9 9 7 年，俄罗斯普通 物理所( g e n e r a lp h y s i c si n s t i t t r t e ) 的研究人员采用拉曼频移高达1 3 3 0 c m - 1 的磷硅 光纤【9 】，减少了s t o k e s 频移转换级数，使得对r f l 的研究上了新一台阶。对于 多波长光纤激光器的研究，始于8 0 年代末9 0 年代初，1 9 9 1 年f a r r i e s 等人第一 次报导了从单根光纤同时输出5 个波长的光纤激光器【1 0 】。同年n a m k y o o 等人也 报导了实现多波长输出的掺铒光纤激光器【l l 】。2 0 0 2 年，朗讯公司在o f c 会议上 报道了其研制的三波长可重构级联r f l ，以波长1 1 0 0 n m 的掺y b 3 + 双包层光纤激 光器作为泵浦源，在1 4 2 7 n m 、1 4 5 5 n m 和1 4 8 0 n m 三个波长同时实现激光输出， 并且每个波长的输出功率都可独立控制【1 2 1 。同年，北电网络( n o r t e ln e t w o r k s ) 公 司的n s k i m 等采用可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波器研制的r f l 在c + l 波段实现 了5 8 个信道的多波长输出【l3 1 。2 0 0 5 年，日本东京大学y a m a s h i t a 等人利用高非 线性光纤的自相位调制和四波混频效应，获得了高达4 4 8 个波长( 间隔1 0g h z ) 同时激射的多波长掺铒光纤激光器【1 4 1 。所有这些研究进展对光纤激光器在光通信 及其他领域的应用及发展起到巨大的推进作用。 国内也对光纤激光器展开了一系列的研究，国内第一台级联拉曼光纤激光器 由南开大学于2 0 0 0 年率先研制成功【1 5 】。2 0 0 6 年，厦门大学用全固体激光器泵浦 实现8 0 0 m w 1 4 8 4 n m 的二级拉曼激光输出【l6 1 。2 0 0 6 年，上海光机所采用国产大 模场面积双包层光纤，制备了7 1 4w 连续输出的光纤激光器【l7 1 。此外，北京大 学、天津大学、华中科技大学、复旦大学及深圳大学等科研单位也对光纤激光器 展开了相关的研究工作，并且都取得了很大的进展【1 8 。2 们。 1 2 光纤激光器的类型 光纤激光器种类很多，根据其器件结构、输出激光特性和激射机理等的不同 有多种分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激 光器类型主要有以下几种： ( 1 ) 根据谐振腔结构分类：f a b r y p e r o t 腔、环形腔、复合腔三类； ( 2 ) 根据输出波长数分类：单波长和多波长两类； ( 3 ) 根据输出激光的状态分类：连续和脉冲两类； ( 4 ) 根据激光增益介质分类：稀土离子掺杂光纤激光器、晶体光纤激光器、 2 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 塑料光纤激光器、光子晶体光纤激光器、光纤非线性效应激光器。 1 2 1 稀土类掺杂光纤激光器 这类激光器利用所掺杂的稀土元素的吸收带吸收泵浦实现粒子数反转，然后 受激辐射产生激光，这些稀土元素包括：y b 3 + ，e r 3 + ，t m 3 + ，h 0 3 + ，n d 3 + ，d y 3 + ， s m 3 + ，d r 3 + 以及p r 3 + 等。以下是9 8 0 n m 泵浦e r 3 + 的能级结构图。掺e r 3 + 光纤激光 器的输出波长对应光通信1 5 “m 主要窗口，是目前通信领域应用最广泛和技术最 成熟的光纤激光器。 图1 1e r 3 + 的能级结构图 另外掺t m 3 + 、掺h 0 3 + 光纤激光器的输出波长在2 0 i _ t m 左右，由于水分子在 该波长附近有很强的中红外吸收峰，因此用该波段激光器进行手术时，激光照射 部位血液迅速凝结，手术创面小，止血性好，又由于该波段激光对人眼是安全的， 所以掺t m ”，掺h o ”光纤激光器在医疗和生物学研究方面有广泛的应用前景； 3 9 i - t m 的掺h o ”氧化物光纤激光器主要用于大气通信上( 3 陋5 岬为大气通信窗 口) 掺t m p 光纤激光器波长为1 4 7 0 r i m ，也位于光纤通讯低损耗窗口1 4 5 0 n m 一1 5 0 0 n l l l 之中。掺y b 3 + 的双包层光纤激光器输出功率大，输出波长在光纤窗1 3 附近， 耦合效率高等特点，是制备高功率光纤激光器的首选途径，也是拉曼光纤激光器 的最佳泵浦源。此外y b 3 + 和e r 3 + 共掺，可以使1 5 5 0 n m 波段的光线激光器性能得 到更大提高，是目前高功率激光器的研究对象之一。 第一章绪论 1 2 2 晶体光纤激光器 典型的晶体光纤有：红宝石，n d ：y a g ，t i ：蓝宝石，c r ：a 1 2 0 3 ：l i n b 0 3 ， y b ：l i n b 0 3 等。拉制光纤的单晶与同类块状或棒状的晶体相比，具有更优越的性 能。其中l i n b 0 3 单晶光纤由于在倍频激光器中的潜在应用，引起人们很大兴趣， 但目前l i n b 0 3 单晶光纤制备技术还不够完善，传输光的特性较差，从而在一定 程度上限制了其应用。 1 2 3 塑料光纤激光器 塑料光纤激光器是指在塑料光纤芯或包层充入染料制成的激光器。其是通过 染料来增加光纤的增益特性。由于塑料光纤与普通石英光纤相比，其具有柔软、 抗绕曲、抗冲击强度高、价格便宜、并能制成大直径光纤等有点。此外，光通过 塑料光纤的中心部分的直径约为l m m ，约是普通光纤的的1 0 0 倍，因而有益于 纤维之间的连接和纤维与终端的连接，引起业内人事的关注。但塑料光纤由于存 在透光性差、光损耗大、传输频带窄等缺陷，及其制作工艺上也存在一定难度等 一系列原因，在一定程度上限制了塑料光纤激光器发展。 1 2 4 光子晶体光纤激光器 光子晶体材料是一种介电常数在光波长量级( 岬) 随空间呈周期分布的介质， 根据周期结构的维度不同，可分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体概念的 提出源于1 9 8 7 年，当年美国贝尔通讯研究中心的物理学家e y a b l o n o v i t c h t 2 l 】和加 拿大物理学家s j o h n l 2 2 】分别独立地在p h y s r e v l e t t 上提出光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l s p c ) 的概念。1 9 9 2 年，英国b a t h 大学r j r u s s e l l 领导的研究小组于提出 光子晶体光纤的思想【2 3 1 ，并于1 9 9 6 年首次制造了具有光子晶体包层的光子晶体 光纤【2 4 l 。2 0 0 0 年8 月b a t h 大学w j w a d s w o r t h 等第一个实验报道了连续的掺镱 微结构的光纤激光器【2 5 】。2 0 0 3 年，c r y s t a l f i b e ra j s 和j e n a f r i e d r i c h s c h i l l e r - u n i v e r s i t y 合作研制了输出为8 0 妒6 1 和2 6 0 w 1 2 7 1 的双包层光子晶 体光纤激光器。由于光子晶体光纤的可以通过改变光纤中的气孔的尺寸和间距就 可以方便地改变其导波性质，具有很大的设计自由度，因而具有许多传统光纤难 4 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 以实现的诸多优良特性，使得其在光纤器件的应用中显示着巨大的发展潜力。利 用光子晶体光纤可以灵活设计的模场特性，改变传导模式和有源介质之间的相互 作用，可以制造适用于不同要求的光子晶体光纤激光器，已成为光纤激光器研究 领域的一个新亮点。 1 2 5 光纤非线性效应激光器 光纤非线性效应激光器是利用激光在光纤中的非线性效应制成的，目前这类 光纤激光器发展较为迅速，主要应用在光纤通信、光纤陀螺、光纤传感、波分复 用( w d m ) 系统中。其主要分为两类：光纤受激拉曼散射激光器和光纤受激布 里渊散射激光器。 1 、光纤受激拉曼散射激光器( s r s f l ) 受激拉曼散射过程可以看成是物质分子对光子的散射过程，或者说光子与分 子谐振子的相互作用过程。典型的受激拉曼分子主要有：g e 0 2 、s i 0 2 、p 2 0 5 等。 其中掺锗光纤的拉曼频移是4 4 0 c m 1 ，掺磷光纤的拉曼频移为1 3 3 0 c m 1 。因此综 合应用掺锗和掺磷光纤的拉曼频移特性，通过不超过三次拉曼频移，就可以实现 从1 0 6 0 n m 波段到1 3 1 0 n m 及1 5 5 0 n m 两个通信窗口及1 4 8 0 波段的转换，与掺稀 土光纤激光器相比具有的更高饱和功率和无泵浦源限制等优点。因此s r s f l 一 直是光纤激光器研究领域的一个热点。 2 、光纤受激布里渊散射激光器( s b s f l ) 受激布里渊散射( s b s ) 是光纤中另一类重要的非弹性受激散射，是光波与光 纤材料晶体结构相互作用的结果。对石英光纤，此最大的散射频移在l l g h z 左 右。与s r s 相比，s b s 的频移小，带宽窄，更重要的是它的阈值低，在m w 量 级，这与光纤通信系统的注入功率差不多，因而s b s 是对光通信系统产生严重 影响的非线性现象。但s b s 增益g 及频移与介质的密度、杨式模量有光，而介 质密度、杨式模量都受温度应力的影响，因而s b s 可以作为光纤传感器工作的 一个重要基础。近年来，基于s b s 的布瑞安( b r i l l i a n ) 光纤时间领域反射型 ( b o t d r ) 系统得到了广泛的关注。 第一。章绪论 1 3 本论文依托课题简介 本课题中全固体连续激光器及其泉浦光纤拉曼激光器的研究受福建省重 大科技计划项目( 2 0 0 2 f 0 1 1 ) 资金资助，并于2 0 0 6 年顺利通过验收。在此基础上 我们引进了，掺镱双包层光纤激光器作为拉曼光纤激光器的泵浦源，继续对掺镱 双包层光纤激光器泵浦的掺磷拉曼光纤激光器及多波长拉曼光纤激光器进行研 究。 1 3 1 课题的研究背景和意义 随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长。因 此对光纤通信传输系统的超高速率、超大容量和无中继超长传输距离要求也越来 越高。而伴随着石英光纤制造工艺取得重要进展，可消除由o h 一引起的1 3 9 0 n m 吸收散射损耗峰，使得1 2 7 0 1 6 7 0 n m 波段均可作为光纤通信窗口。这样寻找合适 的此波段的发射光源、光信号放大器件显得尤为重要。而基于受激拉曼散射的拉 曼光纤激光器和拉曼光纤放大器，可以将1 j a m 附近的泵浦光转化到1 1 1 7 5 岫 范围内的任意波长处 2 8 , 2 9 】，完全符合通信上的要求。因此成为当今国际信息光电 子领域一个前沿课题。目前国内外对r f l 的研究已有大量的报导，其中主要围 绕输出功率、输出谱特性及结构优化等方面的研究，并且已基本成熟。而多波长 拉曼光纤激光器作为近年来新兴的一个研究课题，开始逐渐被关注。我们课题是 在研究掺磷r f l 特性的基础上，设计并研究了m r f l ，首次应用掺磷光纤实现 了在1 3 1 0 r i m 通信窗口附近的多波长激光输出。 1 3 2 本文主要工作 本课题主要围绕拉曼光纤激光器和多波长拉曼光纤激光器展开研究，论文主 要工作有以下三部分： l 、级联拉曼光纤激光器腔体结构的理论分析及数值优化 我们结合级联r f l 的理论模型，通过对模型的分析给出了基于 n e w t o n r a p h s o n 法的打靶法的数值模拟方法。为了提高运算的速度及稳定性， 我们采用r f l 动力学耦合方程的近似解析解作为数值算法中的初始值。最后应 6 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 用该数值方法对级联r f l 进行数值模拟及优化。 2 、掺磷拉曼光纤激光器的实验研究 分别设计并搭建固体激光器泵浦和双包层光纤激光器泵浦r f l 实验平台； 改变系统光纤光栅反射率参数，测量激光输出特性及性能参数，并进行分析。 3 、多波长拉曼光纤激光器的设计及研究 综合利用掺磷光纤中磷和硅的拉曼频移，结合s a g n a c 光纤环的滤波原理， 设计m r f l ；测量激光输出特性及性能参数，并进行分析。 第二章拉曼散射基本原理和r f l 第二章拉曼光纤激光器的基本原理 光纤中受激拉曼散射效应是高强度的激光与光纤介质的振动模式相互作用 产生的一种非线性光学效应，当光纤中注入大功率的泵浦光时，泵浦光的一部分 能量会转变成比输入光波长更长的光波信号输出。从而实现能量从较高频率的泵 浦光到较低频率信号光转化，其量子力学描述为入射光子被介质分子散射为另一 低频光子，同时完成分子振动态之间的跃迁：s r s 是光纤中一种非常重要的非线 性效应，拉曼光纤激光器和拉曼光纤放大器基本原理都是基于s r s 效应。 在光纤两端加上适当反射率的光纤光栅，为光纤内由s r s 产生的斯托克斯 ( s t o k e s ) 光提供反馈，就会形成r f l 振荡腔。如果泵浦光功率足够强，产生的 s t o k e s 光又将激起第二阶乃至更高阶次的s t o k e s 光，形成级联s r s ，可以构成级 联r f l 。本章主要对拉曼散射和级联r f l 原理进行详细介绍。 2 1 拉曼散射基本原理 基本的拉曼效应是非弹性光散射过程。当一束频率为咋的光波通过固态、气 态或液态介质时，其散射光谱中存在着相对入射光有一定频移的成分瞻，频移量 v r = v p i s 称为拉曼频移，相应于介质内部某些确定的能级的跃迁频率，这种散 射就是普通的自发拉曼散射。自发拉曼散射的效率是很低的，相应于一个入射光 子，只有1 0 。6 1 0 。7 量级的自发散射光子3 0 1 。蜘 v s 时，这种散射叫作s t o k e s 散射； i ，。 v s 时，叫作反s t o k e s 散射。 两种散射的能级图如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示【3 1 】，图中u 为介质材料分子的上能态， i 和f 为分别为初始能态和终端能态。理论上，对材料的激发可能是纯粹的电子 激发，也可能是分子的振动激发或者旋转激发，因此能级i 和f 是分子基能态的 振动能级，上能级u 可能是实态或“虚”态。常温下，处于初始能态i 的粒子数比 终端能态f 的多得多，因此反s t o k e s 散射强度比s t o k e s 散射小几个数量级，大 多数情形下可以忽略。 8 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 jl p 1 r u jl jl v pn 坳 v s 1r r ( a ) t h es t o k e sw a v e( b ) t h ea n t i s t o k e sw a v e 图2 1s t o k e s 光产生过程 w u 拉曼散射分为两类：自发拉曼散射和受激拉曼散射。自发拉曼散射是热振动 声子对入射光的散射，而s r s 是强激光与物质相互作用所产生的受激声子对入 射光的散射。c v r a m a n 最早于1 9 2 8 年发现自发拉曼散射现象p 2 1 ，这种散射也 就用他的名字命名。但是直到1 9 6 2 年w o o d b u r y 和n g 才发现s r s 现象，并观 察到大部分的泵浦能量转移到斯托克斯波上【3 3 1 ，从此，人们对s r s 进行了广泛 地研究。 与自发拉曼散射相比，s r s 表现出以下几个方面的不同f 3 4 】： ( 1 ) s r s 具有明显的阈值性：当入射光的功率密度超过一定值后，才能看到 拉曼散射光强突然上升，呈现出受激辐射的特性，自发拉曼散射就不具备这一点。 ( 2 ) s r s 光的方向性极好：入射光强达到阈值之后，拉曼散射光的发射角明 显变小，一般可以4 , n 与入射光的发散角相近，并且是前后向一起传播；自发拉 曼散射无方向性。 ( 3 ) s r s 光的强度极高：可以与中心的瑞利散射强度相比拟。在产生s r s 之 后，受激拉曼散射光强或功率可以达到与入射光相比拟的程度，而自发拉曼散射 光的强度为激光光强度的1 0 4 甚至1 0 。 ( 4 ) s r s 的光脉冲有可能变窄：s r s 光脉冲的时间变化特性类似于入射激光 的特性，受各种因素的影响，它的脉冲宽度有可能比入射激光的脉冲宽度还要窄， 尤其是后向拉曼散射光具有脉冲压缩的性质。 综上所述可以看出s r s 具有激光辐射的性质，与普通激光器不同的是：s r s 不需要粒子数反转，它的激发态只是一个虚的能级，所以s r s 是一个瞬态的过 9 第二章拉盟散射摹本原理和r f l 程，同时它也是个非谐振过程，分子的振动频率随机分布，使得s t o k e s 光波长 非均匀展宽。s r s 是自相位匹配的，对于任意相对方向的泵浦与信号光，均容易 获得相位匹配。因此在光纤中，可以采用同、反向泵浦两种方式。 目前s r s 的应用主要在于：利用s r s 效应可以产生不同频率s t o k e s 光这一 特性，制备新频率的激光器；在光通信领域，可以用来设计宽带放大器。 2 2 光纤中的受激拉曼散射 2 2 1 光纤中的拉曼增益谱 随着光纤通信技术的不断发展，光纤中的受激拉曼散射早已被广泛研究。光 纤波导作为非线性介质，可将高强度的激光与介质的相互作用限制在非常小的截 面内，大大提高了入射光场的光功率密度，在低损耗光纤内，光与介质的相互作 用长度可以维持很长的距离，期间的能量耦合很充分，因而光纤中的s r s 具有 更低的阂值和高增益特点【3 4 l 。 在稳态和连续波情况下，忽略光纤损耗条件下，s t o k e s 波的初始增长可由下 面的关系式描述【3 5 】： jr 睾三g 尺，p l ( 2 - 1 ) 式中j 。和i s 分别为泵浦光和s t o k e s 光的光强。对具体的介质，其拉曼增益系数g r 可由实验求得。有上式可见，s t o k e s 光强的增长与泵浦和s t o k e s 光强之积成正比。 光纤中s r s 增益与入射光束的强度、激活介质散射截面和拉曼光纤相互作用长 度成正比。理论和实验都指出，踟是s t o k e s 频移的函数。石英光纤的拉曼增 益系数已由实验测得陋1 1 7 ：实验数据表明，石英光纤的g g 与纤芯的组成成分有关。 改变纤芯的掺杂成分，可以明显地改变g r 。图2 2 所示是泵浦光波长4 = 1 0 9 m 时熔融石英的拉曼增益谱川【3 5 1 ，即g j r 与s t o k e s 频移的关系曲线。对于不同的泵 浦波长，拉曼增益系数与之成反比。由图2 2 可以看出，石英光纤拉曼增益谱的 主要特点是拉曼增益可以在4 0 t h z 频移范围内获得，其最大值在频移 1 3 2 t h z ( 4 4 0 c m 。1 1 附近，并有5 6 t h z 的高增益带宽。 1 0 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 f r e q u e n c ys h i f t ( t h z ) 图2 2 熔融石英的拉曼增益谱 图2 3 是掺磷光纤的拉曼增益谱1 9 】，从图中可以看出，掺磷光纤的最大拉曼 增益所对应的拉曼频移是1 3 2 6 5 c m ，高于图2 2 中锗硅光纤4 4 0 c m - 1 的拉曼频 移，因此同样用1 0 6 4 r i m 波段泵浦产生1 4 8 0 n m 波段的激光输出时，使用掺磷光 纤为增益介质只需要两级s t o k e s 频移，而使用锗硅光纤则需要六级s t o k e s 频移。 由此可见使用掺磷光纤为增益介质的r f l 可以大大简化腔体结构，可以有效降 低腔体的插入和熔接损耗，从而受到更广泛的关注和研究。 图2 3 磷硅光纤的拉曼增益谱图。 从图2 3 也可以看出，掺磷光纤中除了1 3 2 6 5 c m 1 处出现最大的拉曼增益外， 第二章拉曼散射基本原理和r f l 在4 0 6 0 0 c m 一都有较强的拉曼增益特别是4 9 4 6c m 。处s i 0 2 所对应的拉曼频移。 因此可以采用类似腔体结构选择相应的泵浦源，通过综合利用掺磷光纤中p 2 0 5 和s i 0 2 所对应的拉曼频移，可以将l 肛m 附近的泵浦光转化到1 1 1 6 岬内的任 意波长处。该实验表明，通过综合运用p 2 0 5 和s i 0 2 相应的s t o k e s 频移，级联 r f l 可用于泵浦1 1 1 6 p m 范围内任意工作波长的r f a 2 8 1 。 2 2 2 受激拉曼散射阈值 受激拉曼散射阈值定义为在长度为三的单模光纤的输出端，得到的s t o k e s 光功率和泵浦光功率相等时所需要的输入泵浦功率。由式( 2 - 1 ) 可知，s t o k e s 光的 增益与泵浦光强度有正的相关性，即泵浦光功率越大，s t o k e s 光增益越大。但式 ( 2 1 ) 中未考虑光纤损耗，若考虑这个因素，则s t o k e s 光和泵浦光的光强变化应 为： 式中，鲰和口p 分别为s t o k e s 光和泵浦光频率上的光纤衰减系数。 在小信号条件，即乓。在忽略s r s 效应时，f l j ( 2 2 ) 式可推出： d is d z = g r i s i o e x p ( 一o c p z 、) 一o c s i s q 书 式中的厶为z - - o 处泵浦光的光强。积分( 2 - 3 ) 式得： i s ( l 、) = i s ( o ) e x p ( g r i o l 西一a s d ( 2 - 4 ) 式中切= ( 1 - e x p ( - a t , l ) ) a e ，b ( o ) 是z = o 处s t o k e s 光的初始光强，而长度为l 的光纤中s t o k e s 光的总增益为g = e x p ( g 片厶。一略) 。 实际上，s r s 是在整个光纤上的自发拉曼散射的基础上建立起来的，而自发 拉曼散射是分布在整个频谱范围内的，这等效于在输入端给斯托克斯光的每一个 模式注入一个光子，每个光子的能量按式( 2 2 7 ) 的规律放大后成为输出端的斯托 克斯光强，故在整个拉曼增益谱范围内积分来计算斯托克斯功率，即 p a l ) 。上r l c oe x p ( g r ( o ) l o l , g a s l ) d r d ( 2 - 5 ) 式中g r 沏) 就是图2 2 所示拉曼增益谱函数，r o j 是角频率为国光子的能量。由于 1 2 萄但 知 口 珞 一 吩 以 叫 昂 如 踟 如 ，上名吼上瞻 = = 些出生出 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 其增益主瓣宽度有限，因而近似可以将( 2 5 ) 式的积分改写成： b ( ) = 只谚( 0 ) e x p ( g r ( 缈) 厶上一三) ( 2 - 6 ) 式中( o ) = 7 7 略，略是s t o k e s 频率，它对应了最大的拉曼增益谱。是一 个等效的拉曼谱宽。但作为一级近似，可以认为就是图2 2 所示繇 ) 谱的 主瓣宽度。 根据拉曼阈值的定义： 忍( 工) = 弓( 三) = p oe x p ( - a 尸三) ( 2 - 7 ) 式中p o = 厶如，是光纤的有效面积，p o 即为输入泵浦光功率。1 主1 ( 2 6 ) 和( 2 - 7 ) 得： 咒= ( 0 ) e x p ( g 月冗锄) ( 2 - 8 ) 式中( o ) 是一个与咒有关的量。在对拉曼增益谱作r o r e n t z 谱的近似假设下， 可导出前向泵浦拉曼阈值近似表达式为3 5 】： 兄= 1 6 锄踟锄 ( 2 - 9 ) 得到式( 2 9 ) 还有一个前提，就是泵浦光和s t o k e s 光要保持偏振匹配，即偏 振方向一致。如果泵浦光和s t o k e s 光严格正交，则其增益为零；对不保偏光纤， 泵浦光和s t o k e s 光的偏振态都是随机的，这时其拉曼阈值将提高一倍。 对于后向泵浦s r s ，式( 2 9 ) 式中数值因子1 6 改为2 0 ，拉曼阈值比前向泵浦 高，因此，在光纤中一般观察不到后向s r s 。 在抽运光强度足够高，或者拉曼光纤散射介质的增益长度足够长时，可以通 过级联s r s 过程产生高阶s t o k e s 或反s t o k e s 光。 2 3 拉曼光纤激光器及其基本类型和结构 拉曼光纤激光器就是利用光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 效应产生激光的一 种光纤激光器，通常由泵浦源、增益光纤及反馈元件( 目前主要用光纤布拉格光 栅) 等器件组成。当足够强的泵浦光耦合进入腔体后，与腔内的增益光纤作用， 产生s r s 效应，并通过反馈元件的选择，从而产生相应的s t o k e s 光输出，即拉 曼激光输出。 早在2 0 世纪7 0 年代人们就研制了拉曼光纤激光器 6 1 ，但由于受到当时泵浦 1 3 第章拉曼散射基本原理和r f l 源及光纤制作工艺的制约，这种激光器的性能一直未达到实用的水平。1 9 9 3 年 d i a n o v 等首次利用n d ：y a g 激光器泵浦锗硅光纤，获得了波长1 2 4 9 m 的三级 s t o k e s 光【8 】，标志着第一台级联r f l 问世，为r f l 的研究迈出了关键性一步。 由于级联拉曼激光器可以在光通信所需的1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 波段甚至任意波长 实现激光输出。因此，级联拉曼光纤激光器引起了各国研究者的极大兴趣，在最 近几年内取得了很大进展【9 , 1 2 , 3 “0 1 。 2 3 1 线形腔级联拉曼光纤激光器 线形腔级联r f l 腔体一般由光纤布拉格光栅( f b g ) 和拉曼增益光纤构成。图 2 4 是采用掺磷光纤为拉曼增益光纤，实现1 0 6 4 n m 波段向1 4 8 0 n m 波段转换的 r f l 结构图。图中f b g l 、f b g 2 、f b g 4 、f b g 5 为高反射光纤光栅，f b g 3 为 部分反射光纤光栅。 h r h r p d o p e d p r h r h r f b g l f b g 2 f i b e r f b g 3f 1 3 g 4 f b g 5 图2 4 线形腔级联r f l 基本结构图 2 3 2 环形拉曼光纤激光器 环形r f l 的谐振腔一般由环形器、波分复用器( w d m ) 、耦合器和拉曼增 益光纤等构成。其中环形器、w d m 、耦合器将单模光纤连接成一个振荡环路， 同时起到对振荡波长的选择控制作用。图2 5 是一个4 波长输出的拉曼光纤激光 器【3 刀。 1 4 高功率单波长及多波长掺磷拉曼光纤激光器的研究 图2 5 环形腔级联r f l 结构图 2 3 3 复合腔级联拉曼光纤激光器 环形腔级联r f l 结构简单而且效率高，但存在输出谱线比较宽，而且随输 出功率变化等缺点。因此，韩国的d oi ic h a n g 等人提出一种复合腔结构的级联 r f l ，实现了对输出波长的精确选择【3 引，如图2 6 所示。实验表明，该结构的r f l 阈值为0 5 瓦，在泵浦功率为1 2 5 瓦时，可获得3 1 0 毫瓦连续功率输出的激光， 斜率