拉曼光纤激光的应用和优越性

拉曼光纤激光（Raman fiber laser，RFL）是采用强激光作为泵浦源，利用光纤中的受激拉曼散射效应（stimulated Raman scattering，SRS）实现非线性激光输出［130］。与块状晶体材料相比，光纤的波导结构可提高泵浦效率，降低激光阈值，使输出信号得到指数级的增强。输出激光的频率取决于泵浦光的频率和由拉曼介质决定的拉曼频移，因此通过合理选择泵浦光波长和拉曼介质，能实现从紫外到红外的拉曼散射；激射波长灵活可调，可获得传统稀土掺杂光纤无法实现的激光波长。同时，RFL不存在光子暗化问题，量子亏损小，减轻了热负荷，可实现高效率高功率激光输出。

应用于RFL的光纤性能优化有两个关键参数。一是降低线性损耗，这是实现长非线性作用的基础。石英光纤在近红外区具有极低的损耗（＜1 dB/km），但在中红外区损耗非常大，因此限制了在中红外波段实现拉曼激光。传统实芯光纤的损耗受限于材料的本征损耗，而一些特殊结构的复合光纤，例如空芯光纤、光子晶体光纤等，则可实现远低于实芯光纤的线性损耗。二是高的拉曼增益系数，它有利于实现高功率激光，较大的拉曼频移则可减少级联发射的频移次数。这两者取决于材料本征非线性系数和光纤的结构。

常规石英光纤的本征三阶非线性系数很小，比许多晶体和液体小两个数量级或更多，且在2μm以上材料本征损耗也较大。因此，针对新型拉曼激光的研究更多集中在硫系、晶体、高掺锗、高掺磷等玻璃复合光纤中。2002年美国海军实验室Thielen等采用1.1 m小纤芯As2Se3光纤进行了1.56μm受激拉曼实验［131］，实现了20 dB增益，光纤拉曼增益系数为2.3×10－11 m/W，是石英的300多倍。2012年，台湾大学的Huang课题组［132］制备了双包层Cr4+：YAG晶体－石英玻璃包层复合光纤，其外包层为石英玻璃，内包层是石英玻璃和Cr4+：YAG晶体相互扩散形成的SiO2和YAG的混合层。在1064 nm的激光泵浦下，该光纤获得了中心波长位于1389 nm的拉曼激光输出，其拉曼激光阈值仅为50 mW，当泵浦功率为393 mW时，输出功率25 mW，斜率效率14.3%。

硅晶体具有很强的非线性效应，Si晶体－玻璃复合光纤是拉曼光纤激光器和拉曼光纤放大器的理想增益介质，因此晶体Si纤芯－玻璃包层复合光纤和非晶态Si纤芯－玻璃包层复合光纤相继被研发出来，这些光纤显示出优异的非线性效应［133－137］。但是，目前光纤拉制技术和HPCVD法制备的晶态和非晶态单质Si复合光纤仍具有比较大的传输损耗［138，139］，尚未能制备单晶结构Si晶体－玻璃复合光纤。(www.xing528.com)

2008年，Bélanger等采用石英为包层、纤芯为掺GeO2的复合光纤，研制出大功率可调谐全光纤拉曼激光器［140］，其拉曼增益值是硅酸盐光纤的8倍左右；连续调谐范围从10751135 nm，达到60 nm以上，且在整个调谐范围内，实现76.1%93.1%的高效率，输出功率5 W。与掺锗光纤（440 cm－1）相比，掺磷光纤的拉曼频移更大（1326 cm－1），这意味着掺磷光纤可以减少Stokes频移级数，实现级联发射，从而简化腔体结构，降低损耗。Sim等采用磷硅酸盐单模光纤实现了13.2 W二级级联磷硅酸盐拉曼激光，激光波长为1539 nm，转换效率为32.5%［141］。

通过复合光纤结构设计实现拉曼激光具有更显著的效果，如在空芯光纤中，泵浦光和选择的拉曼谱线位于空芯光纤的传输带内，滤除了不必要的拉曼谱线，提高了转化效率。此外，在空芯光纤中基模边沿场强远小于中心场强，且模场与包层的重叠区非常小，因此理论上具有比实芯光纤高得多的损伤阈值，使之在高功率拉曼激光输出方面具有更大的优势［142］。在光子晶体光纤（PCF）中，通过调节微孔结构可减少模场面积，将光限制在较小的模式区域内，增强非线性效应，降低激光阈值，提高发光效率。还可在微孔中充入气体，进一步提高非线性系数，这为产生高效、紧凑、宽调谐、高功率、窄线宽的光纤拉曼激光器提供了一条潜在的途径［143］。2004年，Benabid等在充氢PCF中实现了1064到1135 nm的超高量子转换效率（92%）和超低阈值（3 nJ）拉曼激光［144］。Beck等在PCF纤芯内写入布拉格光栅，得到了一个完全由高非线性PCF制成的全光纤拉曼激光器，输出功率4 W［145］。2014年，Wang等首次利用反谐振空芯PCF实现了1.9μm氢气振动受激拉曼发射，采用6.5 m光纤，在1064 nm激光泵浦下，最大峰值输出功率大于2 kW，能量转换效率达到48%［146］。Astapovich等［147］利用无节点充氢空芯光纤，实现了波长位于4.42μm、平均输出功率1.4 W的单横模红外拉曼激光输出，突破了石英光纤输出波长的限制，效率达到了53%，接近理论极限。

2014年，Zhang等［148］报道了首台千瓦级全光纤拉曼激光器，主要是基于掺镱有源光纤（Yb doped fiber，YDF）中Yb/拉曼混合增益机制，充分利用了复合光纤优势，以YDF光纤激光器作为种子源，通过一对光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）和20 m长掺镱双包层光纤构成的1080 nm激光振荡器进行放大，最后采用70 m掺锗光纤实现了1080 nm到1120 nm的功率转换，输出功率1.28 kW。2019年，Chen等基于多模渐变折射率光纤也实现了千瓦级拉曼光纤放大，在2970 W泵浦功率下，输出功率在1130 nm时达到1603.4 W，光－光转换效率为87.3%［149］，这是仅用被动光纤，不引入有源光纤时拉曼激光所获得的最高功率。