中红外光纤拉曼激光器

1中红外光纤拉曼激光器的发展趋势与应用前景已知光纤的拉曼频移∆ν，根据所选泵浦光波长，即可推导出输出Stokes波长如下：1𝜆𝑝−1𝜆𝑠=△𝑣其中λp为泵浦光波长，λs为输出Stokes波长。如果是级联结构，输出的一阶Stokes光作为泵浦光继续泵浦下一级，对应二阶Stokes波长亦由上式算出，依此类推。氟化物光纤的拉曼频移量达579cm-1，高于硫化物光纤的拉曼频移（As-Se光纤为240cm-1，As-S光纤为340cm-1）。在相同泵浦波长下，泵浦氟化物光纤输出的拉曼波长较长；但输出波长整体上仍主要取决于泵浦波长。在光纤拉曼激光器中，拉曼增益系数gR是描述拉曼效应最重要的参量，理论上没有直接推导gR的公式，需要通过实验测量。定义开关增益G为泵浦光开和泵浦光关时输出端功率之比，如下：G=exp⁡(𝑔𝑅𝑃𝑂𝐿𝑒𝑓𝑓𝐴𝑒𝑓𝑓)P0为入射泵浦功率，Leff为光纤有效长度，Aeff为光纤有效模面积。根据这些已知参数，测量出开关增益即可算出gR。氟化物光纤的拉曼增益系数一般为石英光纤的5.7倍。相比氟化物光纤，硫化物光纤的拉曼增益系数更高（As-Se光纤为20-51×10-12m/W，As-S光纤为4.3-5.7×10-12m/W），是氟化物光纤的50-350倍。氟化物光纤和硫化物光纤较高的拉曼增益系数，使其在较短光纤长度即可获得拉曼激光输出。一、氟化物光纤拉曼激光器的研究进展最常用的氟化物光纤为ZBLAN光纤，其低损耗传输窗口为0.35-4μm。目前利用在氟化物光纤中掺杂Tm3+、Ho3+、Er3+等不同离子已实现2-3μm波段的激光输出。中红外波段光栅(FBG)的市场稀缺一定程度阻碍了中红外光纤拉曼激光器的发展。2007年，拉瓦尔大学采用800nm飞秒激光器在ZBLAN光纤中成功写入FBG；2011年，他们首次尝试基于氟化物光纤的拉曼激光器，其实验结构图如图1所示。图12185nm激光输出的光纤拉曼激光器结构图他们采用功率为9.6W的1940nm连续波掺铥石英光纤激光器做泵浦源，然后耦合进29m长的氟化物光纤拉曼增益谐振腔中。该光纤的数值孔径为0.23，内径为6.5μm。两端写入一对光纤光栅（FBG），图2给出了输出功率随泵浦功率变化而变化的曲线图。2图2输出功率-泵浦功率的变化曲线图可以看出，泵浦功率阈值为3.8W，斜率效率只有29%，受泵浦功率有限的影响，最大输出功率只有580mW。此外，从图上可以看出，当泵浦功率超过4W时，曲线出现了值得注意的翻转，当泵浦功率达到7W时，效率减少了大概14%。他们通过验证得知，这是非线性效应，特别是四波混频导致频谱展宽的结果。图3给出了当Stokes功率为280mW时输出光谱图，其中插图为实际测量中两FBG随光谱变化的透射率变化图。由图可知输出波长为2185nm。该实验作为首个以氟化物光纤为增益介质的光纤拉曼激光器，输出功率和斜率效率都很低，可以从如下几方面改进：将输出末端再写入一个FBG，用于提高泵浦功率的利用率，降低拉曼散射阈值，进一步提高输出功率；通过调节后面腔体两端FBG的反射率以得到最佳输出性能；减小光纤的模场直径等。图3输出光谱图及输入输出FBG的透射率变化图2012年8月，同是拉瓦尔大学的COPL研究小组报道了基于氟化物光纤的出波长超过2.2μm且功率在瓦量级的光纤拉曼激光器。结构如图4所示。图42231nm激光输出的光纤拉曼激光器结构图原理结构和之前图1所示的研究结构图类似，不同之处在于，在输出末端加了一个在31981nm处具有高反射率的FBG。其它材料的性能参数一样，采用36W的791nm激光二极管泵浦8m长的双包层掺铥石英光纤产生1981nm的泵浦光，对接耦合进26m长的氟化物光纤拉曼腔，腔输入输出端同样分别写入一个FBG。输出功率随泵浦功率变化而变化图象如图5所示。观察可知，启动泵浦功率约为8W，主体斜率效率为15%。最大泵浦功率36W时，输出功率为3.66W的2231nm拉曼激光。图5输出功率-泵浦功率的变化曲线图输出Stokes光和拉曼腔输入端的泵浦光光谱如图6所示。从图中可以看出，输出Stokes光的峰值波长为2231nm。此外，两者光谱出现了一定的展宽，且随功率的增大而变更宽。这种现象在高功率光纤拉曼激光器中是普遍存在的，当光谱宽度宽于FBG的带宽时通常引起功率泄露而影响激光器的特性，理论上来讲这种现象主要是源于低群速度色散(GVD)和高反射率FBG的综合影响。由于他们使用的氟化物光纤的稳定工作区在零色散波长附近，故GVD的影响可以忽略不计。与此同时，写入高反射率的S2增强了泵浦功率在腔内的作用强度，对由于光谱展宽引起的效率降低起到了一定的补偿作用。图6(a)泵浦光光谱图；(b)输出Stokes光光谱图综上所述，国内外基于氟化物光纤的中红外拉曼激光器的报道较少，目前仅拉瓦尔大学的COPL研究小组报道了相关成果，他们获得了超过2.2μm、输出功率达3.66W的中红外激光，斜率效率较低。实际上，由于他们实验原理结构所限，他们只能得到791nm到2231nm的光转换效率，无法得到1981nm到2231nm的直接光转换效率，理论上这个斜率效率比整体斜率效率会高，而且更能评估氟化物光纤的拉曼效果。二、硫化物光纤拉曼激光器的研究进展硫化物光纤是指主要包含S，Se，Te等硫族元素，再加入Ge，As，Sb等元素制成的光纤。目前使用最为广泛的硫化物光纤为As-Se光纤,相对于As-S等其他硫化物光纤,As-Se光纤具有更宽的中红外低损耗窗口（As-S光纤为0.8-7μm,As-Se光纤为1-10μm）。2003年，拉瓦尔大学利用As-Se光纤已经获得了1.5μm的拉曼放大。2006年5月，悉4尼大学光纤技术中心利用2051nm的掺铥石英光纤激光器作为泵浦源，采用0.5m长的As2Se3光纤作为增益介质，获得2062nm功率为0.64W的拉曼激光。3µm中红外光纤激光器的发展为更长波长中红外光纤拉曼激光器的发展奠定了基础。2012年，拉瓦尔大学的COPL研究小组利用自制的800nm飞秒激光脉冲和相位掩膜技术在低损耗的As2S3单模光纤聚合物护套中写入的FBG，在3m长的As2S3光纤中首次获得输出波长3μm的拉曼激光。结构如图7所示。图73.34μm波长输出的光纤拉曼激光器结构图图中采用3.005μm准连续波的掺铒氟化物光纤激光器作为泵浦源，利用一对非球面镜（L1和L2）对单模输出进行自准直，以3m长的As2S3单模光纤作为增益介质，其数值孔径为0.36，内径和双包层直径分别为4μm和145μm。得到输出波长为3.34μm，最大峰值功率为0.6W，最大平均输出功率为47mW的激光。由于采取自准直措施，进入拉曼腔中的泵浦功率只有原来的26%（即最大泵浦功率为10W时，实际只有2.6W），损耗掉的74%主要包括L1、L2和LPF的传输损耗及入射光和As2S3单模光纤的模式失配损耗。图8给出了实际最大泵浦功率为2.6W时，每个FBG处和输出Stokes光的频谱响应图。这两条蓝线分别表示泵浦光谱和Stokes光谱，两相对比，输出Stokes光有一定的光谱展宽。图8每个FBG处和输出Stokes光的频谱响应图图9给出了平均Stokes光功率(y轴左)和峰值Stokes光功率(y轴右)随平均泵浦功率变化的曲线图。观察得知，启动泵浦功率125mW；当最大平均泵浦功率为245mW时，平均Stokes光功率为47mW，峰值Stokes光功率为0.6W，斜率效率为39%。5图9平均Stokes光功率和峰值Stokes光功率随平均泵浦功率变化的曲线图2014年4月，同是拉瓦尔大学的COPL研究小组采用拉曼级联的方式，采用2.8m长的单模As2S3光纤，获得3.77μm的波长输出。结构图如图10所示。图103.77μm的级联光纤拉曼激光器的结构图同样采用3.005μm准连续波掺铒氟化物光纤激光器作为泵浦源，泵浦部分与主拉曼腔部分同样采取一对非球面镜进行自准直，这样导致进入主级联拉曼腔时的泵浦功率只有原来的38%，实际最大泵浦功率为3.9W。增益介质为2.8m长的单模As2S3光纤(光纤相关参数和图9相同)，采用两对光纤光栅进行了拉曼级联，末端再接一个长传输滤波器是为了滤去残余泵浦光和第一级Stokes信号光。当泵浦功率极小或极大时对应的频谱图如图11所示。图11(a)泵浦光的频谱响应图；(b)一级Stokes光的频谱图；(c)二级Stokes光的频谱图蓝线表示泵浦功率稍大于阈值功率时的各自频谱图，红线表示泵浦功率最大为3.9W时的各自频谱图，两虚线分别表示在对应FBG处的频谱图。直观来看，一级Stokes光峰值波长为3.34μm，二级Stokes光即输出光峰值波长为3.766μm。且除了当泵浦功率最大时的一级Stokes光有明显的光谱展宽以外，二级Stokes输出光的光谱展宽可以忽略不计。图12给出了当3.77μm处的OC反射率分别为98%，92%，80%时，对应二级输出6Stokes光功率随平均泵浦功率变化的曲线图。对应斜率效率分别为1.1%，3.5%，8.3%。此外，当其反射率渐次减小时，启动泵浦功率也逐渐增大，且反射率为80%时，斜率效率最大，也仅有8.3%；当平均泵浦功率最大为371mW时，对应的二级Stokes平均输出功率仅有9mW。实验中还对3.77μm处的OC反射率进一步降低(60%)进行了仿真，结果能得到158mW的峰值输出功率和12%的斜率效率，但实际实验不能这样做，这是因为在热退火循环过程中，会对非线性光纤造成意外损坏。图12二级Stokes光功率-平均泵浦功率的变化曲线图这是目前为止，国内外研究中得到的中红外拉曼输出波长最长的情形。从以上数据可知，其输出功率和斜率效率相对较低，减小FBG造成的损耗(经测试平均每个FBG都会损耗3%-4%)，抑制一级Stokes光明显的光谱展宽等将有效的提高拉曼激光输出功率及激光器斜率效率。三、发展趋势总结从近些年光纤拉曼激光器的研究进展来看，利用氧化物掺杂稀土离子光纤作为激光增益介质，得到2μm以下的光输出功率已达到百瓦甚至千瓦量级；利用氟化物光纤和硫化物光纤作为增益介质可以获得2μm以上拉曼激光输出，基于氟化物光纤的拉曼输出已经得到瓦量级2-3μm的光输出，基于硫化物光纤的获得了毫瓦量级近4μm的光输出。国外在中红外光纤拉曼激光器取得一定进展，国内对其的研究还处于仿真与模拟阶段。大于3µm中红外光纤拉曼激光器的实现取得了一定进展也面临挑战。过去，基质的低纯度、大声子能量、低中红外传输窗口问题已得到解决，虽然采用光纤获得长波长拉曼激光具有诸多优势，高功率、高效率的长波长中红外拉曼光纤激光器的发展还面临一些需要解决的困难，例如传统光纤与氟化物和硫化物光纤之间的熔接问题、低损耗硫化物光纤及高质量中红外波段FBG的稀缺等。随着技术的不断革新，若能克服上述困难，利用氟化物及硫化物光纤的大拉曼增益系数及宽中红外低损耗窗口，同时选择适合的掺杂物质及其浓度,进一步优化拉曼腔结构，将能获得更长波长中红外低损耗、高功率的稳定拉曼激光输出。随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，拉曼光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进；技术的进步，特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面市，将为拉曼光纤激光器的设计提供新的对策和思路。尽管目前多数类型的拉曼光纤激光器仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示其优越性。必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。在未来几年中，激光市场产业整体将以每年近10%的速度增长。随着半导体激光器产生技术和光纤制造工艺的进步，以光纤作为增益介质的拉曼光纤激光器，在降低阈值，波长可协调性以及温度控制方面，以取得明显进步。作为目前光纤通信领域的新型技术，可以应用于现有的各种光纤通信系统，支持更高的传输速度，特别是作为大容量密集波分复用系统稳定的7泵浦源与信号源，已经得到了广泛的应用与发展。相信随着时代的发展与进步，