利用20 W连续波掺Yb光纤激光器泵浦一段520 m长的高非线性光纤,在无谐振腔的简单结构中实现了四级级联拉曼激光输出,各阶斯托克斯波长分别为1121 nm、1178 nm、1247 nm和1319 nm,总的频移量为53 THz,最大输出功率达到3.2 W。实验中描述了斯托克斯光的转换过程,并进行了相应分析。无谐振腔结构中多级拉曼激光的产生被认为是基于瑞利散射效应的随机分布反馈,并且证实通过高非线性光纤作为拉曼增益介质可以缩短无谐振腔拉曼光纤激光器所需的光纤长度。 By using a 520-m-long highly nonlinear fiber (HNLF) pumped by a 20 W CW Yb-doped fiber laser, four Raman Stokes emissions are demonstrated in a simple cavity-free configuration. The Stokes wavelengths are 1121 nm, 1178 nm, 1247 nm and 1319 nm respectively with a total frequency shift of 53 THz, and the maximum output power is 3.2 W. The evolution of the multiple Raman Stokes emission is presented and analyzed. The generation of the multiple Stokes from the cavity-free configuration is attributed to the random distributed feedback based on Rayleigh scattering. It is also demonstrated that the fiber length of the cavity-free Raman fiber laser can be largely shortened by using a HNLF as the Raman gain medium.
由于具有通常掺稀土离子光纤激光器所没有的宽带增益谱和灵活的激光输出波长,拉曼光纤激光器在科研和产业中一直都得到人们广泛的关注。随着近些年高功率光纤激光器和各种非线性光纤拉制技术的成熟,拉曼光纤激光器的研究不断取得新的进展[1-3]。
2009年,Yan Feng等利用200 W连续波掺Yb光纤激光器泵浦一段30 m长的单模光纤,由一对光纤布拉格光栅(FBG)构成拉曼激光谐振腔,实现了最大功率为150 W的1120 nm一阶拉曼激光输出,这是目前所报导的最高输出功率的拉曼光纤激光器[
尽管拉曼光纤激光器的输出功率不断得到提高,激光波长不断得到拓展,但是通常拉曼光纤激光器的实现要求高质量的FBG、WDM或LPG等器件,这增加了整个系统的复杂性及其成本。那么一个非常值得关注的问题就是是否可以通过一种简单的结构和较低的成本实现级联拉曼激光输出。
本文首次利用百米级高非线性光纤实现了无谐振腔结构的瓦级高功率四级级联拉曼激光输出,提供了一种实现简单的无谐振腔结构的多级拉曼光纤激光器的方案。
实验装置如图1所示,利用最大输出功率为20 W的连续波掺Yb光纤激光器(YFL)直接泵浦一段长度为520 m的高非线性光纤(HNLF)。掺Yb光纤激光器输出中心波长为1070 nm,谱宽(FWHM)为0.5 nm。高非线性光纤的非线性系数和拉曼增益系数分别为10 (W∙km)−1和4.8 (W∙km)−1,模场直径和数值孔径分别为3.6 μm和0.35。高非线性光纤的零色散波长为1840 nm,位于1070 nm泵浦激光前几级级联斯托克斯线的长波方向,有利于位于光纤正常色散区的拉曼斯托克斯光的产生。掺Yb光纤激光器尾纤(HI1060)和高非线性光纤之间存在着比较大的模场失配,如果
图1. 多阶拉曼斯托克斯光产生的实验装置图
直接熔接将引入较大的熔接损耗,因此首先对高非线性光纤进行纤芯热扩散,然后再与激光器的HI1060尾纤进行模场匹配熔接,最终得到了0.2 dB的熔接损耗。为了简化系统结构,在泵浦激光器和高非线性光纤之间并未采用通常的拉曼波长高反射光纤布拉格光栅,此外,为了避免端面光反射对泵浦激光器造成的损伤,对高非线性光纤的输出端面进行了8˚角切割,利用光功率计(PM: 407A, Spectrum Physics)和光谱仪(OSA: AQ6370 B, YOKOGAWA, 0.05 nm resolution)对输出功率和光谱分别进行测量。
随着1070 nm泵浦功率的增加,系统输出光谱的演化如图2所示。当泵浦功率达到1.9 W时,在1121 nm处出现了一阶拉曼斯托克斯光(S1)。当泵浦功率为 4.8 W时,一阶斯托克斯光达到了最大的1.3 W。泵浦激光和一阶斯托克斯光之间的频移为12.8 THz (425 cm−1)。继续增加泵浦功率,位于1178 nm的二阶斯托克斯光(S2)也逐渐出现,并在9.4 W的泵浦功率下,输出功率达到1.9 W。一阶和二阶斯托克斯光之间的频移为12.9 THz (432 cm−1)。当泵浦功率从9.4 W增大到20 W的过程中,分别出现了位于1247 nm处的三阶斯托克斯光(S3)和1319 nm处的四阶斯托克斯光(S4),与上阶斯托克斯光的频移分别为14.1 THz (470 cm−1)和13.1 THz (438 cm−1),最大输出功率分别为2.5 W和3.2 W。然而从图2中可以看出,在泵浦为最大的20 W输出功率下,三阶斯托克斯光并未全部转化到四阶斯托克斯输出。相信泵浦功率如果可以继续增大,还可以实现更高阶的拉曼斯托克斯输出。
图3(a)为系统输出功率随泵浦功率的关系,在泵浦为最大的20 W时,输出功率为3.2 W,整体光光转化效率为16%。图3(b)为单独出现的各阶斯托克斯光波长与泵浦功率的关系。可见,各阶斯托克斯输出功率和波长与泵浦功率有着比较好的线性关系,预示着此系统结构对多阶拉曼斯托克斯光产生的潜力。
图2. 不同泵浦功率下的输出光谱演化
图3. (a) 输出拉曼激光功率与泵浦功率关系图;(b) 输出的拉曼激光波长与泵浦功率关系图
图4为各阶拉曼斯托克斯光的线宽(FWHM),一阶到四阶斯托克斯线宽分别为2.46 nm、2.55 nm、2.84 nm和4.30 nm。高阶斯托克斯线宽宽于低阶斯托克斯线宽。这一线宽扩展主要是由于受激布里渊散射效应
图4. 各阶斯托克斯谱线线宽
(SBS)和四波混频(FWM)等多种非线性效应的共同作用导致的,并会限制斯托克斯总级数的增加[
值得注意的是传统拉曼光纤激光器需要利用二色镜或光纤布拉格光栅等作为拉曼谐振腔来实现斯托克斯光输出,而本文中各阶拉曼斯托克斯光的产生是在系统并未提供任何外在拉曼谐振腔镜的情况下实现的。这与当前一种新型光纤激光器——随机分布反馈光纤激光器(Random Distributed Feedback Fiber Laser, RDFFL)的特征非常相似。与传统光纤激光器相比,RDFFL没有谐振腔,仅包括泵浦源和增益介质两部分,其结构简单,方向性好,能提供稳定的、空间不相干的连续激光输出,是一种重要的新光源[
当前的RDFFL大多是采用长度超过几十公里的光纤作为拉曼增益光纤来实现的,而且目前也主要集中于前两级级联拉曼输出[12-14],而本文中仅利用520 m长的增益光纤就实现了无谐振腔结构的四级级联拉曼激光输出。通过分析,我们认为本文中的无谐振腔结构的级联拉曼激光的产生仍然是基于瑞利散射的随机分布反馈,而仅利用几百米的增益光纤就可以实现分布反馈拉曼激光输出是由于所用增益光纤具有很高的非线性系数和拉曼增益系数,以及较强的瑞利散射系数,增强了瑞利散射的拉曼放大,进而降低了随机激光产生的泵浦功率阈值和所需光纤长度[
通过采用520 m长的高非线性光纤作为拉曼增益介质,以20 W的掺Yb光纤激光器作为泵浦源,通过无谐振腔结构,实现了输出功率达到瓦级的四级级联拉曼激光输出。由于具有简单的结构和可覆盖从1121 nm到1319 nm宽带范围的四阶拉曼激光输出,这一级联拉曼光纤激光器将在非线性光学、光传感和光通信等领域具有广泛的应用前景[9,15]。
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*资助信息:国家自然科学基金(61275144),深圳市科技计划项目(Nos. JCYJ20120613110637373 & JCYJ20130329142022715)。
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