光子学设计基础：应用拉曼效应

下面总结一下拉曼效应（特别是光纤中的效应）的用途和结果。同时，通过一些数字使这些思想进一步得以巩固是非常有用的。

当一束强光束通过某种材料时，在一定程度上总会发生自发拉曼散射，从而为研究材料的分子结构提供了非常有价值的信息。自发拉曼效应还应用在分布式传感系统中（见本书10.8节）。

如果有更大的机会使某虚斯托克斯受激态得到激发而衰退，并非自发衰退，则会产生受激发射。当强度超过泵浦强度时，受激发射就是主要的传播方式。对于典型的单模光纤，若激光泵浦功率约为5W，就会出现这种情况。这就是说，光纤的光功率处理能力在很大程度上受到拉曼过程的限制。超过5W，该传播就会分为许多个（至少三个）频率成分。在多通道光纤通信中，这也隐含着会产生串音的情况。

图9.11所示的拉曼光谱的光谱宽度约为40nm，强调应用于光学放大中无需相干性，并具有宽的增益带宽。还要记住，这意味着相对于泵浦传播，放大可以出现在前向和后向两个方向。具有宽的带宽是非结晶材料中大量旋转-振荡能量转换的结果。在光纤中使用合适的掺杂物可以加大拉曼的截面和增益。氧化锗（GeO₂）是众所周知的这样一种材料。读者可能还记得，在椭圆芯的高双折射光纤中加入这种掺杂物可以增大芯的折射率。后面这些光纤对于拉曼效应是非常有用的。

使用光纤拉曼激光已经得到高达45dB的增益。泵浦和信号两者具有相同的（线）偏振时可以得到最大增益，同时这也显示了使用椭圆芯高双折射光纤的另外一个优点。(www.xing528.com)

正如前面章节所解释，将光纤的泵浦功率增大到约为1kW，就可以得到高达5级的斯托克斯辐射。本章9.6.2节和9.7节讨论的自相位调制和四光子混合效应会将5级以上的级展宽为准连续介质。对于光纤激光器，将光纤放置在法布里-珀罗腔内，就可以构成一个光纤拉曼激光器。通过调整腔长，该激光器的调谐范围约比拉曼光谱宽度再宽30nm（见图9.13）。对于光纤技术中一系列诊断方法，这种可调谐性特别有用，是一种很容易与其他光纤兼容的光源。

图9.13　光纤-拉曼激光器的示意图^[10]