级联拉曼光纤激光器研究进展

稀土掺杂光纤激光器因受限于稀土元素的发射截面,只能在特定波长范围输出激光。理论上级联拉曼光纤激光器只要有合适的泵浦源和适当的谐振腔,即可输出任意波长斯托克斯光。以1064nm掺镱光纤激光器作泵浦源为例,以锗硅光纤为拉曼增益媒质,目前报道的级联拉曼光纤激光器输出的斯托克斯光波长范围为1120~2200nm。由于增益光纤具有很宽的拉曼增益谱,级联拉曼光纤激光器可进行宽带调谐,也可同时输出多个波长。级联拉曼光纤激光器不仅用于光通信上拉曼光纤放大器和远程泵浦掺铒光纤放大器的泵浦源,也可广泛用于超连续波产生、光传感、光成像等领域。对近几年来级联拉曼光纤激光器在理论设计基础、单、多波长级联拉曼光纤激光器等方面获得的取得的最新进展进行了概述。     

数值优化3~5 μm中红外ZBLAN光纤拉曼激光器的研究

3~5μm中红外激光在国防、医疗、自由空间光通信及材料加工等领域具有重要的应用价值。本文提出利用发展较成熟的2.7~2.9μm掺Er激光作为拉曼抽运源,ZBLAN光纤作为拉曼增益介质,为获得激射波长灵活、结构紧凑的3~5μm中红外激光提供一种可行方法。依据光纤拉曼激光器的非线性耦合方程组,数值分析并优化设计了3~5μm中红外ZBLAN光纤一级/二级拉曼激光器。主要研究了ZBLAN光纤长度和输出镜反射率等参数对拉曼激光阈值及输出功率的影响。数值结果表明:1)拉曼阈值随着输出镜反射率的增大而明显下降,且存在最优的ZBLAN光纤长度使一级拉曼阈值最低(4.15 W);2)为获得最高拉曼激光输出功率,最优输出镜反射率分别为84%~98%(一级)和42%~60%(二级),最优ZBLAN光纤长度分别为6.7~8.9 m(一级)和1.5~2.4 m(二级),最优斜率效率分别高达72.36%(一级)和34.06%(二级)。研究工作在一定程度上可为实验研究此类中红外拉曼激光器提供理论指导。     

反共振空芯光纤中氘气受激拉曼散射实验研究

报道了基于反共振空芯光纤的氘气单程和级联受激拉曼散射实验研究,详细分析了反共振空芯光纤中氘气受激拉曼散射的过程,研究了输出光谱和拉曼谱线功率随氘气压强和泵浦激光功率的变化规律,指出降低气压、采用峰值功率相对较低的泵浦脉冲可以有效抑制转动受激拉曼散射,提高振动受激拉曼散射效率。此外,通过进一步设计、拉制传输带位置合适、带宽较窄的反共振空芯光纤,利用1064 nm脉冲激光泵浦,可以实现高效的氘气一阶振动斯托克斯光(1561 nm)和二阶级联振动斯托克斯光(2925 nm)输出。     

二阶掺磷级联拉曼光纤激光器的数值模拟及分析

文章对表征二阶级联拉曼光纤激光器的非线性耦合方程组进行了求解,在此基础上,对二阶掺磷级联拉曼光纤激光器进行了数值模拟,并比较分析了光纤长度、输出镜反射率、泵浦功率等因素对二阶级联拉曼光纤激光器输出特性的影响,最后给出了优化结果。     

基于打靶和遗传算法模拟多阶级联拉曼光纤激光器

直接采用打靶算法数值求解表征光纤中受激拉曼散射效应的非线性耦合方程组对多阶段联拉曼光纤激光器的输出特性进行仿真,任意设置的各阶Stokes光功率初始值会导致计算过程不收敛.本文提出首先采用遗传算法对各阶的Stokes光功率初值进行优化筛选,解决了各阶Stokes光功率初值选择的收敛性问题,然后利用四阶龙格-库塔及打靶算法进行数值求解,结果表明该方法非常有效.在此基础上,对六阶掺锗级联拉曼光纤激光器进行了数值模拟,并比较分析了光纤长度、输出耦合器反射率、泵浦功率等因素对六阶级联拉曼光纤激光器输出特性的影响.     

N阶级联拉曼光纤激光器理论模型

考虑拉曼光纤纤芯有效面积随Stokes光波长变化,提出了一种改进的Ⅳ阶级联拉曼光纤激光器理论模型.根据该理论模型,按照拉曼光纤激光器级联阶数N的奇偶性分别推导出了第N阶Stokes光输出功率的解析表达式.通过忽略经输出耦合器反射回拉曼光纤输入端的残余泵浦光功率,计算了5阶级联拉曼光纤激光器的输出特性,并与相关文献上的实验数据进行了比较,结果显示文中的计算结果与实验结果相吻合.文中的理论模型对于设计N阶级联拉曼光纤激光器有一定指导意义.     

级联拉曼激光器的二阶近似解

利用非线性方法可以得到级联掺磷拉曼光纤激光器的二阶近似解.将描述抽运光和斯托克斯(Stokes)光沿光纤分布的微分方程组简化成代数方程组,在此基础上对抽运光采用二阶非线性近似得到了不同输入抽运功率情况下的近似解,并求出了在二阶非线性近似下的一级Stokes光和二级Stokes光的阈值表达式.利用得到的二阶近似解同一般的数值解法作比较,结果表明两者吻合得很好.一方面,对于双波长输出的级联掺磷拉曼光纤激光器,二阶方法比线性方法更加精确,更接近于一般的数值解;另一方面,该方法有效提高了数值运算速度,优于一般的数值方法.     

内腔泵浦的BaWO4反斯托克斯拉曼激光器实验研究

实验研究了内腔BaWO4反斯托克斯拉曼激光器的激光特性。通过在调Q的基频谐振腔中插入一倾斜的BaWO4拉曼谐振腔,实现基频光、一阶斯托克斯光和一阶反斯托克斯光的非共线相位匹配,进而实现了内腔反斯托克斯拉曼激光器在968nm的运转。测量了不同泵浦电压下输出的一阶反斯托克斯光的单脉冲能量,当泵浦电压为750V时,获得的最大输出能量为0.79mJ,相应的基频光到一阶反斯托克斯光的转化效率为1.5%。一阶反斯托克斯光的典型脉冲宽度为4.9ns。     

880nm同带泵浦的高效率Nd:YVO4自拉曼激光器

利用880 nm半导体激光器同带泵浦声光调Q Nd:YVO4自拉曼激光器,以减轻热效应对泵浦功率的限制和对拉曼增益的影响,获得高效的1 176 nm一阶斯托克斯光输出。使用两块长度10 mm的Nd:YVO4晶体作为增益介质,脉冲重复频率190 kHz时,在26.8 W入射泵浦功率下获得6.11 W的平均输出功率,光光转换效率22.8%。实验研究了拉曼增益介质长度对输出功率和转换效率的影响,并对自拉曼激光器输出功率曲线中出现凹陷的原因进行分析,认为凹陷并非源自谐振腔稳定性,而是由于增益较弱的斯托克斯光对于谐振腔失调的敏感性所致。对照试验结果显示,与808 nm传统泵浦方式相比,880 nm同带泵浦下自拉曼激光器的输出功率和转换效率得到明显提高。     

大功率双包层光纤激光器拉曼效应分析

受激拉曼散射是大功率光纤激光器性能提升的主要限制之一.采用数值方法深入分析了大功率光纤激光器中的拉曼效应,结果表明,增大信号波长和减小腔镜反射率能有效地减小受激拉曼散射的影响;深入探讨了不同泵浦方式下激光器的拉曼特性,为选取合适的泵浦方式提供了理论依据;首次研究了空间多点泵浦情况下大功率光纤激光器中的拉曼效应,对空间多点泵浦模型中如何优化泵浦方式、合理设置泵浦点功率具有指导意义.