一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法

1.本发明属于光纤激光技术领域，特别涉及一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法。


背景技术：

2.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。拉曼光纤激光器利用光纤中的受激拉曼散射效应产生激光增益，对泵浦波长没有限制，且不受增益饱和、放大自发辐射以及光子暗化效应等影响，在光通信、超连续谱产生及特殊波段光源获取、医疗等重要领域有着广泛应用，其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。同时，超短脉冲激光器在基础研究、生物医疗、工业加工、光通讯等领域都有巨大的应用前景。脉冲激光同步泵浦可以实现高的单位长度拉曼增益，因此可能是获得高性能超快拉曼光纤激光输出的更优手段。但是脉冲激光同步泵浦技术需要脉冲重复频率与拉曼谐振腔长期的锁定，而且任何细微的偏离将转化为激光输出噪声。虽然可以获得高能量、高效率的超快拉曼激光输出，但是若要获得低噪声输出，系统复杂度高、实用性不足。
3.得益于高亮度泵浦技术的发展，拉曼光纤放大器已经实现了千瓦级连续激光输出。目前，限制拉曼光纤放大器进一步功率提升的主要因素来自于高阶拉曼产生，即信号光对应的一阶斯托克斯光。这是由于当信号波长激光功率达到高阶拉曼的泵浦阈值功率时，信号波长激光作为泵浦光将功率转换至高阶拉曼波长，导致输出功率滞涨甚至下降。
4.目前，在抑制受激拉曼散射方面的科研人员采取不同的技术方案：采用本身具有波长选择性的增益光纤，如w型光纤等等，但这种光纤拉制工艺复杂，成本高，传输损耗大(～7.5db/km@λ＝1μm)，且较难实现全光纤结构；使用光谱滤除性光学器件，如空间结构低通滤光片、长周期光栅和倾斜光栅将纤芯模耦合到包层模、保偏光纤45度错位熔接技术等等。其存在的缺陷是：空间结构低通滤光片存在耦合损耗，且不是全光纤结构，系统稳定性较低。长周期光栅和倾斜光栅目前只用于单个种子注入，抑制能力有限。保偏光纤45度错位熔接技术只适用于线偏振拉曼光纤激光器；采用级联泵浦混合增益，通过同时注入相同模式的信号光和拉曼光作为种子，但只能抑制后向受激拉曼散射，不仅不能抑制甚至促进了前向受激拉曼散射的产生。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法，用来抑制高阶拉曼的产生，最终获得高功率低阶拉曼脉冲光纤激光输出。
6.为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
7.本发明提供一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法，在拉曼光纤激光器中，利用脉冲激光泵浦源阵列输出单一波长的脉冲激光作为泵浦光，连续激光作为信号光，信号光
和泵浦光输入拉曼光纤中，在拉曼光纤中，不同波长脉冲激光之间会发生时域上的走离效应，能够降低高阶拉曼增益，抑制高阶拉曼，最终获得高功率的脉冲低阶拉曼光纤激光输出。
8.进一步地，所述拉曼光纤激光器包括脉冲激光泵浦源阵列，所述脉冲激光泵浦源阵列由脉冲激光泵浦源组成，由脉冲激光泵浦源阵列输出脉冲激光。
9.进一步地，所述脉冲激光泵浦源为半导体脉冲激光器或者固体脉冲激光器或者光纤脉冲激光器。
10.进一步地，所述脉冲激光泵浦源为锁模脉冲激光器或者调q脉冲激光器。
11.进一步地，所述脉冲激光泵浦源为半导体脉冲激光器，波长范围为915nm-976nm。
12.进一步地，所述脉冲激光泵浦源为光纤脉冲激光器，波长范围为1018-1080nm。
13.进一步地，所述脉冲激光泵浦源脉冲重复频率100khz-500khz连续可调，脉冲宽度小于10ps。
14.进一步地，所述拉曼光纤激光器为拉曼光纤放大器，包括脉冲激光泵浦源阵列，种子源，泵浦信号合束器，拉曼光纤和输出端帽；所述种子源为信号光波长的激光源，种子源的输出臂与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述脉冲激光泵浦源阵列中的各脉冲激光泵浦源的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼光纤连接，拉曼光纤螺旋弯曲形成放大器结构，泵浦光在拉曼光纤中通过受激拉曼散射效应将能量传递并放大连续光信号，获得信号光的脉冲拉曼光纤激光输出，拉曼光纤的另一端与输出端帽连接，并通过输出端帽输出拉曼激光。
15.进一步地，所述拉曼光纤放大器还包括隔离器，在脉冲激光泵浦源阵列中的各脉冲激光泵浦源的输出臂与泵浦信号合束器的泵浦输入臂之间设置有隔离器，在种子源的输出臂与泵浦信号合束器的中心信号臂之间设置有隔离器。
16.本发明所述的基于走离效应的高阶拉曼抑制方法不仅适用于放大器结构还适用于振荡器结构，即所述拉曼光纤激光器可以为拉曼光纤振荡器。
17.与现有技术相比，本发明的优点在于：
18.本发明的目的是抑制拉曼光纤激光器中的高阶拉曼产生，提高泵浦功率的转化效用，提升拉曼激光的输出功率。本发明通过使用脉冲激光泵浦源阵列输出的脉冲激光作为泵浦光，连续激光作为信号光，当信号光和泵浦光在拉曼光纤中传输时，信号光会被放大成脉冲信号光，当放大的脉冲信号光功率增大到一定程度，会激发高阶拉曼的脉冲激光，利用低阶拉曼的脉冲信号光和高阶拉曼的脉冲激光波长不同，在拉曼光纤中的传播速度不同，进而在不同脉冲激光之间产生在时域上的走离效应。对于高阶拉曼来说，因为发生的拉曼频移相对泵浦波长更大，和泵浦的波长时序差以及低阶拉曼信号光的波长时序差更大，因此高阶拉曼的增益也就越弱，可输出的泵浦功率也就越高，使用的拉曼光纤长度也会更长，拉曼转换效率也会更高，进而输出更高功率的拉曼激光。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例1的结构示意图；
21.图2为本发明实施例2的结构示意图；
22.图3为本发明实施例3的结构示意图；
23.图4为本发明实施例4中的基于走离效应的脉冲示意图；
24.图中标号：
25.1、种子源；2、脉冲激光泵浦源阵列；3、合束器；4、拉曼光纤；5、输出端帽；6、隔离器；7、高反光纤光栅；8、低反光纤光栅。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
27.在一实施例中，提供一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法，在拉曼光纤激光器中，利用脉冲激光泵浦源阵列输出单一波长的脉冲激光作为泵浦光，连续激光作为信号光，信号光和泵浦光输入拉曼光纤中，在拉曼光纤中，不同波长脉冲激光之间会发生时域上的走离效应，能够降低高阶拉曼增益，抑制高阶拉曼。其中所述拉曼光纤激光器包括脉冲激光泵浦源阵列，所述脉冲激光泵浦源阵列由脉冲激光泵浦源组成，由脉冲激光泵浦源阵列输出脉冲激光。
28.本发明脉冲激光泵浦源阵列输出单一波长的脉冲激光作为泵浦光，连续激光作为信号光，当信号光和泵浦光在拉曼光纤中传输时，信号光会被放大成脉冲信号光，当放大的脉冲信号光功率增大到一定程度，会激发高阶拉曼，但是由于高阶拉曼波长更长，不同波长的脉冲激光(泵浦光、脉冲信号光、高阶拉曼激光是不同波长的脉冲激光)之间会发生时域上的走离效应，高阶拉曼的脉冲波形和放大的脉冲信号光时序差会差很多，时序上重叠很小，也就不会有增益，因此会抑制高阶拉曼的功率提升。
29.走离效应分为空域走离效应(spatial walk-off)和时域走离效应(temporal walk-off)。而时域走离效应是由于群速度失配导致的脉冲时域上的不重合。超短脉冲的非线性频率变换效率很高，这是因为即时平均功率较低，这些脉冲依然具有很高的峰值功率。然而，由于所谓的时域走离效应的影响会导致非线性晶体中的有效的相互作用长度受限：所涉及的不同频率的脉冲具有不同的群速度，在传播一定距离后，频率差较大的光波在时域上不再重叠，因此这种效应对限制频率差较大光波之间的转换效率具有重要影响。对于高阶拉曼增益来说，因为发生的拉曼频移会更大，和泵浦的波长时序差以及低阶拉曼信号光的波长时序差会差更多，因此对于高阶拉曼的增益来说也相应的变的更弱，可泵送的泵浦功率也会更高，输出的拉曼激光功率会得到进一步的提升。
30.除了脉宽约为10fs的超短脉冲，拉曼响应时间一般比典型的脉冲宽度小的多，所以拉曼脉冲的泵浦脉冲之间的相互作用由两个耦合振幅方程描述，此方程包括群速度色散、自相位调制、交叉相位调制、脉冲走离和泵浦消耗，在大多数实验中所用的光纤都较短，
可忽略光纤损耗引起的影响，同时以和泵浦脉冲一起移动的坐标系作为参照系，则脉冲传输方程如下：
[0031][0032][0033]
式中
[0034][0035]ap
，as分别是泵浦脉冲和拉曼脉冲的慢变包络，v
gj
是群速度，fr代表小数拉曼贡献。
[0036]
走离参量d表示泵浦脉冲和拉曼脉冲间的群速度失配。泵浦脉冲和拉曼脉冲的群速度色散参量β
2j
，非线性参量γj及拉曼增益系数gj(j＝p或s，p表示泵浦光，s表示信号光)稍有不同，因为它们载频间的拉曼频移约为13thz。泵浦脉冲和拉曼脉冲这些参量间的关系可以用波长比λ
p
/λs表示：
[0037][0038]
引入4个长度尺度可以衡量方程(1)和方程(2)中各项的相对重要性。对脉宽t0和峰值功率为p0的泵浦脉冲，这些量定义为：
[0039][0040]
色散长度ld、走离长度、非线性长度和拉曼增益长度分别表示一个长度尺度，超过这些长度，群速度色散、脉冲走离、非线性(自相位调制和交叉相位调制)的拉曼增益效应变的比较重要，故其中最短的那个长度尺度将起主要作用。由公式(5)可以得到，对于t0《10ps，脉冲走离效应起主要作用。
[0041]
参照图1所示实施例，所述拉曼光纤激光器为拉曼光纤放大器，包括脉冲激光泵浦源阵列2、种子源1、合束器3、拉曼光纤4和输出端帽5。合束器3是泵浦信号合束器。
[0042]
所述种子源1为信号光波长的激光源，种子源1的输出臂与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述脉冲激光泵浦源阵列3中的各脉冲激光泵浦源的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼光纤4连接，拉曼光纤4螺旋弯曲形成放大器结构，泵浦光在拉曼光纤4中通过受激拉曼散射效应将能量传递并放大连续光信号，同时在拉曼光纤4中，不同波长脉冲激光之间会发生时域上的走离效应，能够降低高阶拉曼增益，抑制高阶拉曼，获得信号光的低阶拉曼光纤激光输出，拉曼光纤4的另一端与输出端帽5连接，并通过输出端帽5输出高功率的脉冲低阶拉曼光纤激光。
[0043]
在脉冲激光传输过程中，不同波长的脉冲激光在光纤中的传播速度不同，不同波长的脉冲激光之间会发生时域上的走离效应，在时序上来看脉冲没有重叠。在本发明中，所使用的泵浦源阵列为脉冲激光泵浦源阵列，在低阶拉曼增益过程中是一种瞬时的增益过程，在时序上发生重叠的时候才会提取到泵浦的增益，对于高阶拉曼增益来说，因为发生的拉曼频移会更大，和泵浦的波长时序差以及低阶拉曼信号光的波长时序差会差更多，因此对于高阶拉曼的增益来说也相应的变的更弱，可泵送的泵浦功率也会更高，输出的拉曼激
光功率会得到进一步的提升。
[0044]
上述实施例中，脉冲激光泵浦源阵列脉冲重复频率100khz-500khz连续可调，脉冲宽度小于10ps。
[0045]
由公式(4)、公式(5)可以得到，对于t0《10ps，脉冲走离效应起主要作用，脉冲重复频率100khz-500khz可调使得脉冲与脉冲之间的时序上的重叠大小方便调节，从而更好的抑制高阶拉曼增益。
[0046]
上述实施例中，脉冲激光泵浦源阵列中各脉冲激光泵浦源的类型不限，输出波长不限。脉冲激光泵浦源可以是半导体脉冲激光器，也可以是固体脉冲激光器、光纤脉冲激光器等。如果选用半导体脉冲激光器，优选波长范围915nm-976nm。如果选用光纤脉冲激光器，光纤脉冲激光器的优选波长范围为1018-1080nm。在此波长范围内，半导体脉冲激光器和光纤脉冲激光器能够以最优的价格提供最佳的输出功率，进而在降低成本的同时，输出更高功率的激光。
[0047]
上述实施例中，脉冲激光泵浦源阵列中各脉冲激光泵浦源可以是锁模脉冲激光器，也可以是其他脉冲激光器，如调q脉冲激光器等。
[0048]
上述实施例中，种子源所采用的激光器类型不限，种子源激光器可以是导体激光器，也可以是其他激光器，如固体激光器、光纤激光器等。
[0049]
上述实施例中，各组成器件的输入臂、输出臂以及拉曼光纤使用的光纤基质材料为硅基光纤，或者是磷酸盐光纤，氟化物光纤或者是掺锗光纤等。例如在石英光纤中，可以选择中心最大频移13.2thz频移处，也可以选择其他频移量作为脉冲激光泵浦源阵列的拉曼频移，其他拉曼光纤同样可以选取不同的拉曼频移量获得不同波长的拉曼激光输出。
[0050]
参照图2，所示实施例，所述拉曼光纤激光器为拉曼光纤放大器，包括脉冲激光泵浦源阵列2、种子源1、合束器3、拉曼光纤4、输出端帽5和隔离器6。合束器3是泵浦信号合束器。与图1所示实施例在结构上的不同之处在于：在脉冲激光泵浦源阵列2中的各脉冲激光泵浦源的输出臂与泵浦信号合束器的泵浦输入臂之间设置有隔离器6，在种子源1的输出臂与泵浦信号合束器的中心信号臂之间设置有隔离器6。隔离器的目的是为了防止后向回光，保护脉冲激光泵浦源阵列和种子源。图2所示实施例中各组成器件的选择以及参数的优选方案，与实施例1中对应器件相同，在前面已经详细叙述，在此不再赘述。
[0051]
本发明所述的基于走离效应的高阶拉曼抑制方法不仅适用于放大器结构还适用于振荡器结构，即所述拉曼光纤激光器可以为拉曼光纤振荡器。参照图3，所示实施例中所述拉曼光纤激光器可以为拉曼光纤振荡器，包括脉冲激光泵浦源阵列2、合束器3、拉曼光纤4、输出端帽5、隔离器6、高反光纤光栅7和低反光纤光栅8。所述合束器3为泵浦合束器。所述脉冲激光泵浦源阵列2中的各脉冲激光泵浦源的输出臂连接隔离器6，通过隔离器6接入合束器3的泵浦输入臂，合束器3的输出臂与高反光纤光栅7的输入端连接，高反光纤光栅7连接拉曼光纤4的一端，拉曼光纤4的另一端连接低反光纤光栅8，高反光纤光栅7和低反光纤光栅8之间构成振荡腔。低反光纤光栅8的输出端与输出端帽5连接，并通过输出端帽5输出高功率的脉冲低阶拉曼光纤激光。
[0052]
所述高反光纤光栅7的反射率》95％，所述低反光纤光栅8的发射率在4～50％之间。同时，所述高反光纤光栅7和低反光纤光栅8根据实际需要可以使用多个光栅对(即高反射率光栅+低反射率光栅配合使用)。
[0053]
在一实施例中，提供一种基于走离效应的高阶拉曼抑制方法，在拉曼光纤激光器中，利用脉冲激光泵浦源阵列输出单一波长的脉冲激光作为泵浦光，脉冲激光泵浦源阵列输出的泵浦光经合束器后输入拉曼光纤中，在高反光纤光栅7和低反光纤光栅8组成的谐振腔中发生振荡，当泵浦功率达到拉曼阈值之后产生一阶斯托克斯拉曼光，当一阶斯托克斯光功率达到二阶斯托克斯拉曼阈值会产生高阶拉曼的脉冲激光，在拉曼光纤中，不同波长的脉冲激光之间会发生时域上的走离效应，能够降低高阶拉曼增益，抑制高阶拉曼，最终获得高功率的脉冲低阶拉曼光纤激光输出。
[0054]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。