新概念“ 拉曼光纖激光器”

 拉曼光纖激光器已經能夠達到幾百瓦的功率水平。然而在拉曼光纖中,波分複用(WDM)組件通常對泵浦[半導體泵浦激光器的類別]和種子激光進行合束,從而使該組件成為實現更高功率的瓶頸。同樣地,用於泵浦1178nm拉曼光纖放大器(倍頻至589nm,用於自適應光學望遠鏡在上層大氣中產生鈉導星)的1120nm鐿(Yb)光纖激光器,也深受放大自發輻射(ASE)和1060nm處寄生激光的影響,嚴重限製了1120nm光纖激光器的輸出。



為了解決這些問題,並創建高功率1120nm光纖激光源,中國科學院上海光機所(SIOM)的研究人員已經開發出了一種集成的摻鐿拉曼光纖放大器(YRFA)架構,解決了拉曼光纖激光器和/或長波長摻鐿光纖激光器的功率提升問題。[1]放大器采用一段摻鐿光纖、其後跟隨一段拉曼增益光纖的結構,兩段光纖均采用雙波長激光器作為種子源,以避免寄生激光和對波分複用組件的需求。



多波長種子源



YRFA包含一段4m長的摻鐿增益光纖,以及用作拉曼轉換器的一段20m長的摻鍺(Ge)光纖,種子源為1120nm的摻鐿光纖激光器,同時也包含1070nm的光。該雙波長發射器(1120nm和1070nm波長的功率水平可調)通過一個(6+1)×1的市售保偏合束器與六個976nm的激光二極管進行合束,隨後直接與放大光纖熔接。



合束器後的泵浦功率為390W(976nm);976nm二極管泵浦摻鐿光纖段,以放大1070nm的光。在YRFA的輸出端,上海光機所自主研發的包層模消除器去除殘餘的976nm泵浦光,輸出光纖的8°切割角抑製了寄生振蕩。 [國內光纖激光器研究進展史]



對隻摻鐿的光纖放大器的模擬表明:隻采用1120nm的種子激光,產生的前向和背向ASE僅分別比1120nm激光輸出低31dB和22dB。然而,當種子激光器的輸出調整為功率為38W的1120nm激光和2W的1070nm激光時,ASE被抑製到比信號低55dB和42dB的水平,這表明多波長種子激光能夠有效地抑製ASE。



在該集成的放大器裝置中,鐿光纖段基本上是作為摻鍺光纖段的輸入。對於38W/2W(1120nm/1070nm)的雙波長種子光,1070nm和1120nm的激光輸入均在第一根2.7m的摻鐿光纖中放大。之後,1070nm的信號達到最大值,並開始通過拉曼轉換為1120nm。這種拉曼頻移沿摻鍺光纖的長度方向持續,在輸出端,信號光接近99%的1120nm光。在實驗中,1120nm的光達到301W的功率水平,僅受限於泵浦功率。初始1120nm種子激光的線寬為1.6nm,由於光纖段內縱向模式的四波混頻,在經過完全放大後線寬展寬到3.3nm。



目前,摻鐿光纖激光器可以產生千瓦甚至數十千瓦的衍射極限輸出,通常使用主振蕩器功率放大器架構。通過利用雙波長激光器取代主振蕩器,以及在功率放大器的末端增加拉曼光纖段,YRFA實現了完整的架構;研究人員認為實現高於千瓦級的拉曼光纖激光器是可能的。



“事實上,鼎博六合最近已經獲得了波長為1120nm的千瓦級拉曼光纖激光器,”上海光機所的激光技術研究員馮衍說道,“鼎博六合提出的激光器結構允許進一步提升拉曼光纖激光器的功率,並且由於拉曼光纖激光器的波長多樣性,其幾乎具備在1~2μm的任何波長處輸出高功率激光的能力。” 

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