光纤拉曼孤子激光器：非线性光学与光子学成果

前面曾讨论过利用光纤作为一种拉曼介质，可对时间孤子脉冲产生频率加宽和脉宽变窄的效果。现在，进一步考虑如何采用在其工作波长区域具有负GVD的光纤，作为一种以外加激光束进行泵浦的拉曼介质，而使其产生的受激拉曼散射（SRS）在共振腔内形成孤子脉冲振荡。与掺稀土光纤样品相比，普通光纤样品的拉曼增益带宽更宽（150～200 cm-1），但其单位长度上的增益水平则低于前者。

利用SRS实现孤子激光器的早期建议曾由Vysloukh与Serkin提出［55］。采用脉冲式同步泵浦和环状回路的光纤拉曼激光器的理论分析则由Haus与Nakazawa予以报道［56］。

图12-14　光纤拉曼孤子激光器的实验装置示意图（a）、输出激光脉冲的光谱图（b）以及自相关时间扫描曲线（c）［57］

作为光纤拉曼孤子激光器的早期演示之一有Kafka与Baer完成的实验［57］。他们的实验如图12-14（a）所示，一段长度为1.1 km的标准石英玻璃光纤置于一环状共振腔内，并由出自锁模Nd：YAG激光器的波长为1 319 nm、脉宽为100 ps、重复频率为82 MHz的脉冲进行同步泵浦。为确保泵浦的同步性，共振腔长可进行精密调整。实验中测得的典型输出拉曼孤子激光脉冲的光谱和自相关时间扫描结果，如图12-14（b）和（c）所示。由该图可看出，输出脉冲的光谱宽度约为11 nm，而中心波长约为1 410 nm，后者对应的频移量约为489 cm-1，正好处于石英玻璃拉曼增益曲线的峰值位置附近。测量到的输出脉冲时间宽度约为190 fs，意味着测得的时间与光谱宽度乘积ΔτΔv≈0.32。在施以300 mW平均泵浦功率水平下，输出激光的平均功率为50 mW，对应着17%的激光器工作效率。在该实验条件下，按照由泵浦与拉曼激光脉冲时间分离效应所限制的有效增益长度的估算值约为300 m。(www.xing528.com)

在另一个类似的实验中，GouveiaNeto等使用了一个长度为600 m的色散移动单模光纤样品，该光纤的零GVD波长位置被移动至1.46 μm波长位置附近，而在拉曼激光产生的1.5μm波长区域仍然具有负GVD特性；该光纤由波长为1 320 nm、宽度约为100 ps、重复频率为100 MHz以及峰值功率为200 W的Nd：YAG激光脉冲进行泵浦［58］。在没有共振腔而只令泵浦光单次通过上述光纤样品的条件下，只能观察到单一的位于1 410 nm附近的SRS输出光谱峰，如图12-15（a）所示。然而，在配置环型共振腔的条件下，输出激光光谱如图12-15（b）所示，包含有3个较宽的拉曼光谱峰，它们的中心波长位置分别为1 404，1 495，1 600 nm，所对应的中心频移分别为488，887，1 326 cm-1。这些分立的多重光谱峰，显然是由级联受激拉曼散射所形成的。实验测得与上述后两个拉曼光谱峰（带）所对应的输出激光脉冲时间宽度分别为200 fs（S2），230 fs（S3），而对应的峰值功率则分别为2 kW（S2），120 W（S3）。

图12-15　泵浦光单次通过光纤样品后的输出SRS光谱（a）以及在具有共振腔条件下由级联SRS效应导致的光纤拉曼孤子激光器的多重宽谱带输出（b）［58］

Islam等指出了在类似实验中观察到的SRS输出谱带加宽，可能是由于强泵浦光脉冲与较弱的拉曼信号光脉冲之间的相位互调制效应所促成的［59］。在另外一个由Suzuki等人报道的有关光纤拉曼激光器的实验中，曾观察到由拉曼共振增强四光子参量所导致的斯托克斯与反斯托克斯光谱组分的同时存在［30］。但在此情况下，只有当斯托克斯成分落入光纤样品的负GVD区域内时，才能观察到脉宽很窄的孤子脉冲输出，而反斯托克斯成分因落入正GVD区域，而不能形成具有窄脉宽的脉冲输出［30，60］。