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高功率光纤拉曼激光器研究进展分析

导读: 与传统固体激光和化学激光相比,光纤激光具有光束质量更好、体积小、转换效率高、热管理方便等优点。目前高功率稀土离子掺杂光纤的输出激光功率突飞猛进。

  1 引言

  与传统固体激光和化学激光相比,光纤激光具有光束质量更好、体积小、转换效率高、热管理方便等优点。目前高功率稀土离子掺杂光纤的输出激光功率突飞猛进。2009年6月,IPG公司利用1018nm激光器同带抽运单根掺镱光纤,获得了约10kW 单模激光输出;2010年,IPG公司申请了不同波长的20kW 级的光纤激光器系统专利。由于稀土离子的吸收发射谱影响,光纤中受激放大方式输出的激光波长受到限制,在一些有特殊用途的波段如1018nm波长附近的激光,采用这种掺杂离子受激放大方式就很难获得。然而光纤拉曼放大方式作为获取光纤激光的另一种重要途径,与掺杂离子的受激放大方式相比,具有更宽的增益带宽和更低的放大噪声特性,并能够获取各种特殊波长的激光,因此得到了人们的广泛研究。

  光纤拉曼放大方式基于光纤中激光产生的受激拉曼散射(SRS)效应,将抽运光的能量转移到斯托克斯光上。光纤中的拉曼增益谱往往较宽,所以其最大的优势是输出激光波长的易变性,可获得稀土离子掺杂光纤难以获得的波长,比如1018,1480nm激光等。实际上采用这项技术可以获得光纤中透明的任意波长的激光,同时也适于许多其他对激光波长有特殊要求的天文、医学和工业应用。

  不同的光纤基质产生的拉曼频移大小也不一样,根据基质材料的不同,可将拉曼光纤大致分为锗硅光纤和磷硅光纤两种。同锗硅光纤(拉曼频移约为440cm-1)相比,磷硅光纤的主要优点是具有更大的拉曼频移(约1330cm-1),在相同波长的抽运激光抽运下仅需更少级次的级联就可获得所需波长的激光输出,但存在光学损耗相对较高和拉曼增益较低的缺点。关于级联光纤拉曼激光器,周晓军等详细介绍了其发展状况,Nicholson等利用级联锗硅光纤拉曼激光器获得了81W 的1480nm激光的最高功率输出。

  另外拉曼放大方式还是获取高功率窄线宽激光输出的重要途径,高功率窄线宽激光在光电传感、激光雷达、光谱学等领域有非常广泛的应用,同时,在相干合成、谱合成以及频率转换等研究领域需要特殊波长、高功率、高光束质量的窄线宽激光。因此,对于窄线宽光纤拉曼放大器(NL-FRA)进行研究意义重大。

  针对光纤拉曼技术在高功率光纤激光技术中的重要性,本文主要介绍光纤拉曼技术在连续高功率硅基无源光纤方面取得的进展和发展趋势。首先从3种不同类型的光纤拉曼激光器的基本理论、优缺点等几个方面论述了高功率光纤拉曼激光器的研究进展,然后详细阐述了NL-FRA的技术难点、解决方法和最新进展,最后展望了高功率光纤拉曼技术的发展前景。

  2 光纤拉曼激光器

  通过选用不同的增益光纤,可以获得不同的拉曼增益谱宽、拉曼增益系数、拉曼阈值和激光输出特性等。目前光纤拉曼激光器中的拉曼增益光纤主要有3种类型:单包层光纤(SCF),双包层光纤(DCF)和光子晶体光纤(PCF)。

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