高功率窄线宽拉曼光纤放大器的制作方法

本发明涉及光纤放大器，特别是一种高功率窄线宽拉曼光纤放大器。

背景技术：

光纤激光器具有结构紧凑、效率高、光束质量好、稳定易用等优点，在工业、国防、医疗、基础研究等领域得到广泛应用。拉曼光纤激光器是一种特殊的光纤激光器，它利用光纤中的受激拉曼散射作为增益，最大的特点与优势是发射激光的波长范围宽，只要有合适波长的泵浦激光，可在光纤透明范围内任意波长产生激光。此外，在众多高端应用中，不仅对光纤激光器的波长有特殊要求，也对其光谱宽度有很高的要求，往往要求mhz甚至更窄的线宽。因此，窄线宽拉曼光纤激光器与放大器应用前景广泛，特别是高功率的窄线宽拉曼光纤放大器，一直是科研与产业开发的热点。但是，在光纤中放大窄线宽激光时，会受到光纤中的—受激布里渊散射的限制，功率提升困难。在窄线宽拉曼光纤激光器中，受激布里渊散射带来的限制最为严重。因为拉曼增益小，往往需要数十米甚至数百米的增益光纤，受激布里渊散射非常强烈。目前，抑制受激布里渊散射，提高窄线宽拉曼光纤放大器输出功率的方法主要有以下几类：

一、减小增益光纤长度、增大光纤模场面积。受激布里渊散射是一种非线性光学过程，其小信号增益随光纤长度、功率密度指数增长。因此，减小增益光纤长度、采用大模场光纤降低功率密度是比较自然的技术手段，可以提高输出功率。(参见文献：yanfeng,luketaylor,anddomenicobonaccinicalia,“multiwattsnarrowlinewidthfiberramanamplifiers,”opt.express16,10927-10932(2008).)但是，由于受激拉曼散射同样是一种非线性光学过程，减小增益光纤长度、采用大模场光纤同样会降低拉曼增益。所以采用这种手段，虽然可以提高窄线宽拉曼放大器的输出功率，但是无法提高放大器的效率，对泵浦激光器的输出功率和光纤器件的抗损伤提出了很高的要求。

二、采用特殊设计的低受激布里渊散射的特种光纤。受激布里渊散射是光波场和声波场相互作用的结果，因此可以通过改变纤芯内的掺杂成分或掺杂分布，使得光纤纤芯中光波场和声波场的重叠度下降，降低光纤的布里渊增益系数。已有报导，在单频拉曼放大器中，采用特殊设计的拉曼增益光纤，受激布里渊散射得到了抑制(参见文献：c.vergien,i.dajani,andc.robin,"18wsingle-stagesingle-frequencyacousticallytailoredramanfiberamplifier,"opticsletters37,1766-1768(2012).),但是，到目前为止，采用这种方法获得的受激布里渊散射抑制效果有限，而且因为需要特殊设计光纤，实施难度很大。

三、展宽有效布里渊增益谱。布里渊增益谱的中心波长位置与光纤的材料、结构参数、环境温度、光纤应力等都有关系。通过设计长度方向上参数变化的光纤(比如锥形光纤)，沿光纤长度方向上施加不同的温度与应力等方法，可以实现布里渊增益谱的沿长度方向的改变，展宽有效带宽。但是，在不同空间位置上产生的布里渊光信号，不能在别的位置得到有效放大，从而降低总的布里渊增益。目前，应力法取得了最佳的效果，通过优化应力梯度分布，实现了20倍的有效增益系数降低，52％的光光转化效率(参见文献：leizhang,jinmenhu,jianhuawang,andyanfeng,“stimulated-brillouin-scattering-suppressedhighpowersinglefrequencypolarizationmaintainingramanfiberamplifierwithlongitudinallyvariedstrainforlaserguidestar,”opt.lett.37,4796-4798(2012).)。但是，这些方法依旧有实施难度大的问题。

技术实现要素：

本发明提出一种高功率窄线宽拉曼光纤放大器，该光纤放大器不需要特种的拉曼增益光纤，也不需要对拉曼增益光纤做特殊处理，创新地通过非线性光学效应展宽布里渊信号的光谱，达到降低布里渊增益、抑制受激布里渊散射的效果。该高功率窄线宽拉曼光纤放大器具有实施简单、布里渊散射抑制效果好、可与其它抑制方法叠加使用，从而获得高功率的窄线宽拉曼光纤放大器输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率窄线宽拉曼光纤放大器，由泵浦源、波分复用器、拉曼增益光纤组成，其特点在于，所述的泵浦源是高频调制的泵浦源，调制频率大于10mhz，所述的泵浦源发射的高频调制的泵浦激光通过所述的波分复用器耦合进所述的拉曼增益光纤，在所述的拉曼增益光纤中反向传播的信号光，在所述的高频调制的泵浦激光的泵浦下受激拉曼放大后，经所述的波分复用器输出。

所述的泵浦源为光纤激光器、固体激光器或半导体激光器；所述的泵浦源为调q激光器、锁模激光器或主振荡功率放大器。

所述的光纤激光器为掺镱光纤激光器/放大器、掺铒光纤激光器/放大器、掺铥光纤激光器/放大器、掺钬光纤激光器/放大器或拉曼光纤激光器/放大器。

所述的拉曼增益光纤为石英光纤、磷酸盐光纤、硅酸盐光纤、碲酸盐光纤或氟化物光纤。

所述的拉曼增益光纤为单模光纤或多模光纤。

本发明的技术效果：

在后向泵浦的窄线宽拉曼光纤放大器中，拉曼信号光与泵浦光传播方向相反；由窄线宽拉曼信号光激发产生的布里渊光，与拉曼信号光传播方向相反，与泵浦光传播方向相同。因此，高频调制的泵浦光会通过光纤中的另一种非线性光学过程——交叉相位调制—展宽布里渊光的光谱。假设泵浦源是以频率f周期性调制的激光，那么在布里渊光中心波长的两边，会因为交叉相位调制产生间隔为f的边带。边带大小、数量等与泵浦光具体的调制形态有关。而泵浦光与拉曼信号光之间，因为传播方向相反，无交叉相位调制过程，因此拉曼信号光的光谱宽度不受泵浦光影响。被展宽的布里渊光，如果光谱宽度与布里渊增益带宽可比拟或者更宽时，布里渊光的受激放大过程就会被大大削弱，从而达到抑制受激布里渊散射的效果。

对于反向传播的拉曼信号光，由于走离带来的平均效应，拉曼放大器有低频滤波的效果，对泵浦激光的高频时域特性不敏感。因此，虽然采用了高频调制的泵浦源，依旧可以获得连续波放大的拉曼激光。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、本发明通过采用高频调制的泵浦光，展宽布里渊光的光谱，从而抑制受激布里渊散射，相比现有技术可实施性高。兆赫兹重频调制的激光光源技术成熟，可由多种方案实现；参数调节灵活，更便于优化受激布里渊散射抑制效果。

二、本发明与现有技术匹配，可以叠加使用取得更大的受激布里渊散射抑制效果，从而进一步提高窄线宽拉曼光纤放大器的输出功率。

附图说明

图1是本发明高功率窄线宽拉曼光纤放大器的结构示意图。

图2是本发明所用的高频调制泵浦源的实施例1的结构示意图。

图3是本发明所用的高频调制泵浦源的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1。图1是本发明高功率窄线宽拉曼光纤放大器的结构示意图。由图可见，本发明高功率窄线宽拉曼光纤放大器，由泵浦源1、波分复用器2、拉曼增益光纤3组成，所述的泵浦源1是高频调制的泵浦源，调制频率大于10mhz，所述的泵浦源1发射的高频调制的泵浦激光通过所述的波分复用器2耦合进所述的拉曼增益光纤3，在所述的拉曼增益光纤3中反向传播的信号光，在所述的高频调制的泵浦激光的泵浦下受激拉曼放大后，经所述的波分复用器2输出。

所述的泵浦源1为光纤激光器、固体激光器或半导体激光器；所述的泵浦源1为调q激光器、锁模激光器或主振荡功率放大器。

所述的光纤激光器为掺镱光纤激光器/放大器、掺铒光纤激光器/放大器、掺铥光纤激光器/放大器、掺钬光纤激光器/放大器或拉曼光纤激光器/放大器。

所述的拉曼增益光纤3为石英光纤、磷酸盐光纤、硅酸盐光纤、碲酸盐光纤或氟化物光纤。

所述的拉曼增益光纤3为单模光纤或多模光纤。

请参阅图2和图3。所述的高频调制的泵浦源1可由不同方式获得。图2是一种实施方式的结构示意图。连续波种子激光器11的输出，经过一个强度调制器12，成为高频调制的激光，再经过功率放大器13提升功率，用作本发明高功率窄线宽拉曼光纤放大器的泵浦源1。图3是另一种实施方式的结构示意图。激光驱动器14调制激光二极管种子源15，产生高频调制的激光，再经过功率放大器16提升功率，用作本发明高功率窄线宽拉曼光纤放大器的泵浦源1。

下面给出两个具体实施实例：

实施例1，1178nm窄线宽拉曼光纤放大器

连续波种子激光器11采用1070nm和1120nm双波长光纤激光，经过一个声光强度调制器12，斩波成为高频调制(重频大于10mhz)的激光，再经过一个掺镱-拉曼混合光纤功率放大器13，获得高功率的1120nm激光泵浦源1。1120nm泵浦源1，通过一个1120nm/1178nm分光的波分复用器2，耦合进单模石英拉曼增益光纤3。在拉曼增益光纤3中反向传播的1178nm光，在1120nm激光泵浦下受激拉曼放大，通过1120nm/1178nm分光的波分复用器2输出。

实施例2，1650nm窄线宽拉曼光纤放大器

二极管种子源15采用1550nm单模激光二极管，在激光驱动器14的驱动下，产生高频调制下(重频大于10mhz)的激光，再经过一个掺铒光纤功率放大器16，获得高功率的1550nm激光泵浦源1。1550nm泵浦源1，通过一个1550nm/1650nm分光的波分复用器2，耦合进单模石英拉曼增益光纤3。在拉曼增益光纤3中反向传播的1650nm光，在1550nm激光泵浦下受激拉曼放大，通过1550nm/1650nm分光的波分复用器2输出。

实验表明，本发明不需要特种的拉曼增益光纤，也不需要对拉曼增益光纤做特殊处理，创新地通过非线性光学效应展宽布里渊信号的光谱，达到降低布里渊增益、抑制受激布里渊散射的效果。该高功率窄线宽拉曼光纤放大器具有实施简单、布里渊散射抑制效果好、可与其它抑制方法叠加使用，从而获得高功率的窄线宽拉曼光纤放大器输出。