CN114447745A - 一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，多波长泵浦阵列输出两个以上不同泵浦波长的泵浦光，种子源输出波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内的单一信号光波长的信号光，所述信号光和多波长泵浦阵列输出的两个以上不同波长的泵浦光注入至拉曼增益光纤激光器中的拉曼增益光纤中，信号光诱导不同泵浦波长的泵浦光在拉曼增益光纤的不同位置向信号波长转换，使得泵浦功率均匀的分配到不同的泵浦波长上，进而在拉曼增益光纤的不同部位进行吸收，使拉曼功率在拉曼增益光纤内逐渐提升，抑制了高阶拉曼的产生。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，特别涉及一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法。
背景技术
利用光纤中的受激拉曼散射效应可以产生拉曼激光增益。与基于稀土离子的激光增益相比，拉曼增益对泵浦波长没有限制，且不受增益饱和、放大自发辐射以及光子暗化效应等影响，在功率提升方面具有独特优势。基于拉曼增益的光纤激光器包括拉曼光纤激光器、随机光纤激光器以及混合增益光纤激光器，目前均已实现了千瓦以上功率连续激光输出。然而，限制拉曼增益光纤激光器进一步功率提升的主要因素来自于高阶拉曼产生，即信号光泵浦产生的下一阶拉曼频移斯托克斯光。这是由于当信号波长激光功率达到高阶拉曼的泵浦阈值时，信号波长激光作为泵浦光被再次吸收，并将能量转换至更长波长的高阶拉曼，导致输出信号功率滞涨甚至下降。
目前，在拉曼增益光纤激光器中，主要有三种技术用于抑制高阶拉曼产生：
第一种是使用光谱滤除性光学器件，如低通滤光片、长周期光栅和倾斜光栅将纤芯模耦合到包层模、保偏光纤45度错位熔接技术等等。其存在的缺陷是：低通滤光片不是全光纤结构，存在耦合损耗，且系统稳定性较低。长周期光栅和倾斜光栅的功率承受能力有限。保偏光纤45度错位熔接技术只适用于线偏振拉曼光纤激光器。
第二种是采用本身具有波长选择性的拉曼增益光纤，主要基于弯曲损耗，如W型光纤等。但这种光纤拉制工艺复杂，成本高，且高阶拉曼增益对弯曲半径敏感，需要严格控制弯曲半径。
第三种是利用时序稳定的低噪声泵浦源，如超荧光光纤光源、超长腔长激光器、单频光纤激光器等。然而，此类泵浦源的输出功率较低，无法用于千瓦级以上的高阶拉曼抑制。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，一方面能够有效抑制高阶拉曼，另一方面能够输出波长为单一信号光波长的更高功率的光纤激光。
为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
一方面，本发明提供一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，多波长泵浦阵列输出两个以上不同泵浦波长的泵浦光，种子源输出波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内的单一信号光波长的信号光，所述信号光和多波长泵浦阵列输出的两个以上不同波长的泵浦光注入至拉曼增益光纤激光器中的拉曼增益光纤中，信号光诱导不同泵浦波长的泵浦光在拉曼增益光纤的不同位置向信号波长转换，使得泵浦功率均匀的分配到不同的泵浦波长上，进而在拉曼增益光纤的不同部位进行吸收，使拉曼功率在拉曼增益光纤内逐渐提升，抑制了高阶拉曼的产生。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤为不掺杂稀土离子的无源被动光纤。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤激光器为单级拉曼增益光纤激光器或者是级联拉曼增益光纤激光器。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤激光器包括多波长泵浦阵列、种子源、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和输出端帽，所述种子源为信号光波长的激光源，种子源与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的泵浦源组成，各泵浦源的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤连接，拉曼增益光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼增益光纤的另一端与输出端帽连接，并通过输出端帽输出拉曼激光；所述多波长泵浦阵列输出的多波长泵浦光位于拉曼增益谱内，种子源输出的信号光对应于多波长泵浦光拉曼增益区间。
进一步地，本发明所述泵浦源为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
进一步地，本发明所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的半导体激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为915nm至976nm。
进一步地，本发明所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的光纤激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为1018nm至1080nm。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤为渐变折射率分布光纤或者阶跃折射率光纤或者沿光纤长度方向折射率呈W分布的W型光纤。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤的零色散波长在多波长泵浦阵列的泵浦范围之外。
进一步地，本发明所述拉曼增益光纤激光器还包括隔离器，在多波长泵浦阵列与泵浦信号合束器的泵浦输入臂之间设置有隔离器，种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂之间设置有隔离器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，采用多波长泵浦方案，利用多波长激光进行泵浦以抑制拉曼增益光纤激光器中的高阶拉曼，能够提高泵浦到拉曼的转换效率，提高输出激光光谱纯度，实现更高功率输出。不同于振荡器结构的光纤激光器，本发明能够克服振荡器结构的光纤激光器输出功率有限且输出波长不能保证单一的缺陷，本发明为放大器结构的拉曼增益光纤激光器，能够抑制高阶拉曼的同时，能够实现输出波长为单一信号光波长的目的。
本发明不仅适用于单级拉曼增益光纤激光器的高阶拉曼抑制，还适用于级联拉曼增益光纤激光器的高阶拉曼抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的结构示意图(单级拉曼增益光纤激光器)；
图2是本发明另一实施例的激光示意图(级联拉曼增益光纤激光器)；
图中标号：
1、种子源；2、多波长泵浦阵列；3、泵浦信号合束器；4、拉曼增益光纤；5、输出端帽；6、隔离器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在一实施例中，提供一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，多波长泵浦阵列输出两个以上不同泵浦波长的泵浦光，种子源输出波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内的单一信号光波长的信号光，所述信号光和多波长泵浦阵列输出的两个以上不同波长的泵浦光注入至拉曼增益光纤激光器中的拉曼增益光纤中，信号光诱导不同泵浦波长的泵浦光在拉曼增益光纤的不同位置向信号波长转换，使得泵浦功率均匀的分配到不同的泵浦波长上，进而在拉曼增益光纤的不同部位进行吸收，使拉曼功率在拉曼增益光纤内逐渐提升，抑制了高阶拉曼的产生。
在一优选实施例中，所述拉曼增益光纤为不掺杂稀土离子的无源被动光纤。在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，使用不掺杂稀土离子的无源被动光纤作为拉曼增益光纤，能够有效抑制拉曼增益光纤激光器中的高阶拉曼，输出波长为单一信号光波长。如果采用稀土掺杂光纤作为拉曼增益光纤，则存在光子暗化、增益饱和的弊端，且对泵浦波段存在很大的限制的问题。
在一实施例中，如图1所示，所述拉曼增益光纤激光器为单级拉曼增益光纤激光器。所述拉曼增益光纤激光器包括多波长泵浦阵列、种子源1、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和输出端帽5，由多波长泵浦阵列、种子源1、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和输出端帽5组成单级拉曼增益光纤激光器。所述种子源1为信号光波长的激光源，种子源1与泵浦信号合束器3的中心信号臂相连；所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的泵浦源2组成，各泵浦源2的输出臂分别接入泵浦信号合束器3的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器3的输出端与拉曼增益光纤4连接，拉曼增益光纤4螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼增益光纤4的另一端与输出端帽5连接，并通过输出端帽5输出拉曼激光；所述多波长泵浦阵列输出的多波长泵浦光位于拉曼增益谱内，种子源1输出的信号光对应于多波长泵浦光拉曼增益区间。泵浦信号合束器的尾纤以及拉曼增益光纤可以支持多波长激光传输。另外，在多波长泵浦阵列与泵浦信号合束器3的泵浦输入臂之间设置有隔离器6，种子源1与泵浦信号合束器3的信号输入臂之间设置有隔离器6。隔离器是为了防止后向回光的影响，保护多波长激光泵浦光阵列和种子源。
在一实施例中，如图2所示，所述拉曼增益光纤激光器为级联拉曼增益光纤激光器。所述拉曼增益光纤激光器为多级拉曼增益光纤激光器。所述拉曼增益光纤激光器包括多波长泵浦阵列、种子源1、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和输出端帽5，由多波长泵浦阵列、种子源1、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和输出端帽5组成两级或两级以上的级联放大器结构的拉曼增益光纤激光器。所述种子源1输出第一级放大器结构中的信号光。第一级放大结构的输出激光作为下一级放大器结构中的信号光。各级放大器机构分别包括多波长泵浦阵列、泵浦信号合束器3和拉曼增益光纤4。最后一级放大器结构中的拉曼增益光纤4的另一端与输出端帽5连接。各级放大器机构中，多波长泵浦阵列分别由两个以上不同泵浦波长的泵浦源2组成，各泵浦源2的输出臂分别接入泵浦信号合束器3的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器3的输出端与拉曼增益光纤4连接，拉曼增益光纤4螺旋弯曲形成放大器结构。各级放大器结构中所述多波长泵浦阵列输出的多波长泵浦光位于拉曼增益谱内，各级放大器结构中的信号光对应于多波长泵浦光拉曼增益区间。泵浦信号合束器的尾纤以及拉曼增益光纤可以支持多波长激光传输。另外，在多波长泵浦阵列与泵浦信号合束器3的泵浦输入臂之间设置有隔离器6，种子源1与泵浦信号合束器3的信号输入臂之间设置有隔离器6。隔离器是为了防止后向回光的影响，保护多波长激光泵浦光阵列和种子源。
本发明中多波长泵浦阵列中的各激光泵浦源的类型不限，波长不限。本发明所述泵浦源可以是半导体激光器泵浦，也可以是其他激光器泵浦，如光纤激光器、固体激光器等。多波长泵浦阵列中输出的波长数目不限，可以是两个波长的泵浦源，也可以是三个或更多。
拉曼增益光纤激光器中采用不同类型泵浦源组成的多波长泵浦阵列，通过优选波长范围，能够有利于得到最佳输出功率的激光。
在一优选实施例中，拉曼增益光纤激光器中的多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的半导体激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为915nm至976nm。在此波长范围内，拉曼增益光纤激光器能够以最优的价格提供最佳的输出功率，进而在降低成本的同时，输出更高功率的激光。
在一优选实施例中，拉曼增益光纤激光器中的多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的光纤激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为1018nm至1080nm。在此波长范围内，拉曼增益光纤激光器能够以最优的价格提供最佳的输出功率，进而在降低成本的同时，输出更高功率的激光。
本发明中的多波长泵浦阵列输出泵浦光，种子源输出信号光，种子源波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内。因为种子源波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内，才会高效率的实现低阶拉曼激光的转换与输出。本发明为放大器结构，种子波长为单一波长，因此输出的激光波长也为单一的信号波长。例如在石英光纤中，可以选择中心最大频移13.2THz附近的多个频移量作为多波长泵浦阵列的拉曼频移，也可以选择其他数值中心频移附近的多个频移量。
在本发明的不同实施例中，拉曼增益光纤可以为渐变折射率分布光纤或者其他折射率分布的光纤，如阶跃折射率光纤、沿光纤长度方向折射率呈W分布的W型光纤。
在本发明的不同实施例中，拉曼增益光纤可以为纯的硅基光纤，或者是掺磷光纤、掺锗光纤等。
在一优选实施例中，所述拉曼增益光纤在多波长泵浦阵列泵浦范围内的传输损耗以及弯曲损耗远小于对应的拉曼增益。
在本发明一些优选实施例中，所述拉曼增益光纤的零色散波长在多波长泵浦阵列的泵浦范围之外。
本发明通过种子源输出信号光，诱导多波长泵浦阵列输出的泵浦光向信号光转换。在单波长激光泵浦的拉曼增益系统中，为了使得泵浦光向信号光转换的更充分就需要拉曼增益光纤的长度更长，当拉曼增益光纤的长度增加后，由于信号波长激光功率达到高阶拉曼的泵浦阈值功率，信号波长激光作为泵浦光将功率转换至高阶拉曼波长，导致输出功率滞涨甚至下降。为了抑制高阶拉曼，又需要尽量保证光纤长度不能太长，从而限制了一阶拉曼的转换效率。
本发明改变原有的单波长泵浦功率集中在单一波长泵浦上，而造成在拉曼光纤长度不能太长的弊端，采用多波长激光泵浦的方法，使泵浦总功率平均分配到不同的泵浦波长上，进而使得一阶拉曼信号光的功率不会在短时间内在光纤的起始端增长较快，而是随着泵浦波长的变换在拉曼增益光纤的不同部位(如在拉曼增益光纤的起始段、中段、末尾段)进行转换，从而在光纤内逐渐提升功率，进而延伸拉曼增益光纤的长度，使得一阶拉曼转换更充分，在传输过程中起到抑制高阶拉曼的效果。
本发明能够抑制拉曼增益光纤激光器中高阶拉曼产生，提升拉曼光纤激光输出功率，其主要特点是在拉曼光纤放大器中注入信号光，同时加入不同波长的泵浦源，增加泵浦带宽，使得泵浦功率均匀的分配到不同的泵浦波长上，进而在拉曼增益光纤的不同部位进行吸收，使拉曼功率在光纤内逐渐提升，抑制了高阶拉曼的产生，延长了拉曼增益光纤的长度，提高泵浦吸收转换效率，提升了拉曼激光的输出功率。同时，本发明不仅适用于单级拉曼增益光纤激光器的高阶拉曼抑制，还适用于级联拉曼增益光纤激光器的高阶拉曼抑制，使拉曼输出功率得以进一步提升。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，在放大器结构的拉曼增益光纤激光器中，多波长泵浦阵列输出两个以上不同泵浦波长的泵浦光，种子源输出波长位于多波长泵浦阵列输出波长对应的斯托克斯拉曼增益谱波段内的单一信号光波长的信号光，所述信号光和多波长泵浦阵列输出的两个以上不同波长的泵浦光注入至拉曼增益光纤激光器中的拉曼增益光纤中，信号光诱导不同泵浦波长的泵浦光在拉曼增益光纤的不同位置向信号波长转换，使得泵浦功率均匀的分配到不同的泵浦波长上，进而在拉曼增益光纤的不同部位进行吸收，使拉曼功率在拉曼增益光纤内逐渐提升，抑制了高阶拉曼的产生。
2.根据权利要求1所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述拉曼增益光纤为不掺杂稀土离子的无源被动光纤。
3.根据权利要求1所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述拉曼增益光纤激光器为单级拉曼增益光纤激光器或者是级联拉曼增益光纤激光器。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述拉曼增益光纤激光器包括多波长泵浦阵列、种子源、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和输出端帽，所述种子源为信号光波长的激光源，种子源与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的泵浦源组成，各泵浦源的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤连接，拉曼增益光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼增益光纤的另一端与输出端帽连接，并通过输出端帽输出拉曼激光；所述多波长泵浦阵列输出的多波长泵浦光位于拉曼增益谱内，种子源输出的信号光对应于多波长泵浦光拉曼增益区间。
5.根据权利要求4所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
6.根据权利要求5所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的半导体激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为915nm至976nm。
7.根据权利要求5所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述多波长泵浦阵列由两个以上不同泵浦波长的光纤激光器组成，多波长泵浦阵列输出的泵浦光的波长范围为1018nm至1080nm。
8.根据权利要求1或2或3或5或6或7所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述拉曼增益光纤为渐变折射率分布光纤或者阶跃折射率光纤或者沿光纤长度方向折射率呈W分布的W型光纤。
9.根据权利要求8所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，所述拉曼增益光纤的零色散波长在多波长泵浦阵列的泵浦范围之外。
10.根据权利要求8所述的基于多波长激光泵浦的高阶拉曼抑制方法，其特征在于，还包括隔离器，在多波长泵浦阵列与泵浦信号合束器的泵浦输入臂之间设置有隔离器，种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂之间设置有隔离器。
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