CN209747892U

CN209747892U - 大功率拉曼光纤激光产生系统

Info

Publication number: CN209747892U
Application number: CN201920956017.2U
Authority: CN
Inventors: 马鹏飞; 来文昌; 刘伟; 宋家鑫; 王涛; 姜曼; 姚天赋; 粟荣涛; 吴坚; 马阎星; 周朴
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2019-12-06
Anticipated expiration: 2029-06-24

Abstract

本实用新型提供了大功率拉曼光纤激光产生系统，将时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光作为1阶拉曼泵浦光。系统包括1阶拉曼泵浦光子系统和拉曼光纤激光器，1阶拉曼泵浦光子系统用于产生时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光作为1阶拉曼泵浦光，1阶拉曼泵浦光泵浦拉曼光纤激光器，实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和功率放大。本实用新型利用拉曼泵浦光时域稳定性对拉曼转换效率、高阶拉曼产生阈值和输出激光光谱纯度的影响，从拉曼泵浦光产生方式方面有效提升大功率拉曼光纤激光系统的综合性能，为非线性频率变换、气体探测、大气光学、自适应光学等领域光纤光源设计提供有效技术方案。

Description

大功率拉曼光纤激光产生系统

技术领域

本实用新型属于强激光和非线性光纤光学技术领域，具体涉及一种大功率拉曼光纤激光产生系统。

背景技术

与其他类型激光器相比，光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑、可柔性操作、维护简单等诸多优势，其在激光加工、材料成型、激光焊接、激光清洗等诸多应用领域具有广泛的应用前景。

目前，产生大功率光纤激光的物理机制主要分为两种：

(1)直接采用掺稀土离子提供放大增益，实现高功率光纤激光输出；该方法中，根据激发波长的不同，稀土离子可以有镱离子、饵离子、饵-镱共掺离子、铥离子、钬离子等多种选择。

(2)利用非线性机制提供放大增益，实现高功率光纤激光输出。该方法主要依赖受激拉曼散射、受激布里渊散射、分布式瑞利散射、非线性参量转换等非线性作用过程有效实现输出激光的波长转换和功率放大。基于上述不同非线性效应机理实现的光纤激光器/放大器在学界被分别称为拉曼光纤激光振荡器/放大器、布里渊光纤激光器/放大器、随机光纤激光器/放大器、光学参量振荡器/放大器等。得益于光纤本身的低损耗、模体积大、相互作用长度长等特点，拉曼光纤激光振荡器/放大器作为实现大功率光纤激光输出的一种主要技术手段，得到了国内外研究人员的广泛关注。此外，由于提供拉曼增益的光纤无需掺杂稀土离子，不存在稀土离子激射谱对输出激光中心波长的限制，使得拉曼光纤激光振荡器/放大器具备可超宽波段放大、波长灵活可调谐等特殊优势。此外，由于无掺杂离子的限制，拉曼光纤激光振荡器/放大器在实现大功率输出时无需受反转粒子数空间烧孔效应的限制。大功率提升潜力、超宽波段放大能力和波长灵活可调谐特性使得拉曼光纤激光振荡器/放大器在非线性频率变换、气体探测、大气光学、自适应光学等领域具有特殊的应用需求。

在拉曼光纤激光振荡器/放大器中，为了提升转换效率、降低放大阈值和提供足够的放大增益，一般需采用纤芯较小的光纤提供拉曼增益且光纤长度一般在百米量级以上。因此，光谱展宽以及高阶拉曼会严重影响系统向大功率、高光谱纯度发展。为了克服上述问题，研究人员提出采用特殊滤波光纤、新型多包层光纤等方法抑制高阶拉曼产生。然而，目前绝大部分高阶拉曼抑制方法均依赖于新型光纤设计，实现技术难度大、成本高昂。此外，综合考虑转换效率提升、光谱纯度优化和高阶拉曼抑制的大功率拉曼光纤激光产生方法仍然非常匮乏。因此，综合考虑上述不足，提出实现大功率拉曼光纤激光新的有效技术手段具有重要的科学意义和现实需要。

实用新型内容

针对现有强激光和非线性光纤光学技术领域中存在的缺陷，本实用新型提供一种大功率拉曼光纤激光产生系统。

本实用新型利用拉曼泵浦光时域稳定性对拉曼转换效率、高阶拉曼产生阈值和输出激光光谱纯度的影响，从拉曼泵浦光产生方式方面有效提升大功率拉曼光纤激光系统的综合性能，为非线性频率变换、气体探测、大气光学、自适应光学等领域光纤光源设计提供有效技术方案。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是：

一种大功率拉曼光纤激光产生系统，包括1阶拉曼泵浦光子系统和拉曼光纤激光器，1阶拉曼泵浦光子系统用于产生时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光作为1阶拉曼泵浦光，1阶拉曼泵浦光泵浦拉曼光纤激光器，实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。

1阶拉曼泵浦光子系统包括1阶拉曼泵浦光种子源、全光纤分束器和1阶拉曼泵浦光放大阵列；1阶拉曼泵浦光种子源用于产生时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光；全光纤分束器将种子源发出的激光分为r路子激光；r路子激光经1阶拉曼泵浦光放大阵列进行功率放大，经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光泵浦拉曼光纤激光器。

其中1阶拉曼泵浦光放大阵列包含r个全光纤放大器模块，分别用于对r路子激光的功率放大。

作为本实用新型的优选技术方案，还包括包层光滤除器，拉曼光纤激光器输出的激光注入到包层光滤除器，将输出激光中的包层光滤除到自由空间，避免包层光对光束质量产生影响。进一步地，系统还包括光纤准直器，经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤准直器后输出到自由空间。

为了测量上述大功率拉曼光纤激光产生系统其时域特性、光谱特性和光束质量参数，系统还包括二色镜、残余光接收器、高反镜、功率计和时空频一体化实时测量系统，其中，时空频一体化实时测量系统包括光电探测显示仪、光谱测量仪、光束质量分析仪。大功率拉曼光纤激光产生系统中的光纤准直器输出的激光首先入射到二色镜，二色镜将放大激光中未完全波长转换的残余激光滤除到残余光接收器，经二色镜反射输出的拉曼放大激光进一步经高反镜反射至功率计。高反镜透射的光束注入到时空频一体化实时测量系统实现对时域特性、光谱特性和光束质量参数的测试。

本实用新型将时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光作为1阶拉曼泵浦光。其中时域稳定是指1阶拉曼泵浦光中没有自锁模脉冲、弛豫振荡脉冲和类湍流脉冲。1阶拉曼泵浦光抽运拉曼增益光纤，将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和波长转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和波长转换，这样实现从中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和波长转换，最终产生中心波长为λ_k的k阶拉曼激光；其中波长λ_i满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，1≤i≤k，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。本实用新型基于时域稳定泵浦技术实现拉曼转换效率提升、高阶拉曼抑制和拉曼放大光谱纯度优化。

在上述拉曼放大过程中，如果所采用的1阶拉曼泵浦光由半导体激光器、光纤振荡器或超荧光光纤光源产生，由于泵浦光的时域噪声会传递到其对应的拉曼放大激光中，进而导致拉曼转换效率降低、高阶拉曼产生阈值降低，并导致产生激光光谱纯度劣化。具体而言，中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光中的时域噪声会传递到中心波长为λ₁的1阶拉曼激光，中心波长为λ₁的1阶拉曼激光时域噪声会传递到中心波长为λ₂的2阶拉曼激光，依次类推，中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光时域噪声会传递到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光，最终致使λ_k的k阶拉曼激光转换效率降低，进一步功率提升受限于高阶拉曼，并导致输出激光光谱展宽严重、光谱纯度退化。为了避免上述缺陷，本实用新型通过采用时域稳定泵浦技术，即采用时域稳定的1阶拉曼泵浦光，可有效抑制在大功率拉曼放大系统中的噪声传递，有效抑制高阶拉曼，进而提升拉曼转换效率、高阶拉曼产生阈值和输出激光光谱纯度。

与半导体激光器、光纤振荡器或超荧光光纤光源相比，单频光纤激光的噪声水平已可达量子噪声极限，而单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光时域噪声更低，是泵浦大功率拉曼光纤激光系统的理想光源。一般而言，拉曼增益谱范围可覆盖数十太赫兹，因此，在>1um的近红外、通信波段、中红外及远红外范围内，多单频激光的波长覆盖范围小于～30nm即可。

本实用新型中实现拉曼转换效率提升、高阶拉曼抑制和输出激光光谱纯度优化的关键在于：1阶拉曼泵浦光种子源为时域稳定的单频光纤激光或者时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或者时域稳定的多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光。一般而言，拉曼增益谱范围可覆盖数十太赫兹，因此，在>1um的近红外、通信波段、中红外及远红外范围内，多单频激光的波长覆盖范围小于～30nm即可。其中：时域稳定单频光纤激光的实现结构可以是分布式布拉格反射型单频光纤激光器、分布式反馈型单频光纤激光器、环形腔单频光纤激光器等。若1阶拉曼泵浦光种子源为时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光，则一般通过在时域稳定的单频光纤激光器外接入相位调制器件，对相位调制器件施加电学调制信号，实现多单频激光输出。相位调制器件一般为电光调制器，电光调制器可以是铌酸锂材料、石墨烯材料或其他可实现电光调制的材料。相位调制信号可以是正弦、白噪声、矩形脉冲、三角脉冲、双曲正割脉冲、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合或级联。

本实用新型中，所述的全光纤分束器将1阶拉曼泵浦光种子源输出的激光分为r路子激光，全光纤分束器分束比一般为1：r，其制作方法不限，可以是熔融拉锥法、也可以是膜片法。

本实用新型中，所述的1阶拉曼泵浦光放大阵列包含r个全光纤放大器模块，其级数不限，可以是单级全光纤放大器，也可以是多级级联全光纤放大器。1阶拉曼泵浦光的中心波长λ₀在全光纤放大器模块可放大波长范围内。

本实用新型中，所述的拉曼光纤激光器可以是拉曼光纤激光振荡器或拉曼光纤激光放大器。

拉曼光纤激光器采用拉曼光纤激光振荡器时，拉曼光纤激光振荡器包括1阶拉曼泵浦合束器、拉曼增益光纤、不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合，1阶拉曼泵浦光高反光栅，经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光注入到1阶拉曼泵浦合束器实现合束，经1阶拉曼泵浦合束器导出的中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光注入到拉曼增益光纤，不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合通过k阶拉曼放大过程实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大，其中不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅包括k对光栅，第k对光栅的中心波长为λ_k，第k-1对光栅的中心波长为λ_k-1，依次类推，第1对光栅的中心波长为λ₁。除了第k对光栅由一个中心波长为λ_k的高反光栅和一个中心波长为λ_k的低反光栅构成，其他光栅对均是由一对高反光栅构成，即第k-1对光栅由一对中心波长为λ_k-1的高反光栅构成，第k-2对光栅由一对中心波长为λ_k-2的高反光栅构成……第1对光栅由一对中心波长为λ₁的高反光栅构成。在第1对光栅组成的振荡腔内实现振荡和放大，将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤，在第2对光栅成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤，在第k对光栅组成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和转换；由于第k对光栅由一个中心波长为λ_k的高反光栅和一个中心波长为λ_k的低反光栅构成，因此最终经过拉曼光纤激光振荡器放大的中心波长为λ_k的激光将经过第k对光栅其低反光栅输出。1阶拉曼泵浦光高反光栅将1阶拉曼泵浦光二次反射至拉曼增益光纤，实现二次泵浦效果，有效减小拉曼增益光纤的有效长度，提高1阶拉曼泵浦光利用率。最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。

拉曼光纤激光器采用拉曼光纤激光放大器时，拉曼光纤激光放大器通过k阶拉曼放大和转换实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大。拉曼光纤激光放大器包括1阶拉曼泵浦-信号合束器、拉曼增益光纤、拉曼光纤激光种子，经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光通过1阶拉曼泵浦-信号合束器的泵浦臂注入到拉曼增益光纤，作为拉曼放大的初始泵浦光抽运拉曼增益光纤。拉曼光纤激光种子为含有中心波长λ₁、λ₂…..λ_k光谱成分的多波长光纤激光。其中：λ_i(1≤i≤k)满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。拉曼光纤激光种子通过1阶拉曼泵浦-信号合束器的信号臂注入到拉曼增益光纤作为拉曼放大的伺服种子信号。拉曼光纤激光种子输出的激光首先在1阶拉曼泵浦光抽运下，通过拉曼增益光纤提供增益将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼放大激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子的伺服下抽运拉曼增益光纤，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子的伺服下抽运拉曼增益光纤，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的放大和转换。最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。

本实用新型中，所述的包层光滤除器将拉曼放大产生的包层光滤除到自由空间，防止包层光引起拉曼放大激光光束质量和光谱纯度退化。

本实用新型中，所述的光纤准直器实现放大激光的准直发射，可有效降低输出端面的激光功率密度，保护放大器安全。所述的光纤准直器可以由一个或多个透镜组合实现，透镜的材料选择多样，可以是熔石英、ZnSe、CaF₂等。

本实用新型中，所述的二色镜用于滤除拉曼放大后未完全转换的中心波长为λ₀、λ₁、λ₂…λ_k-1的激光，将中心波长为λ_k的拉曼放大激光从空间上分离，其构成材料不限，可以是熔石英、K₉、ZnSe、CaF₂等。

本实用新型中，所述的残余光接收器用于接收拉曼放大后未完全转换的中心波长为λ₀、λ₁、λ₂….λ_k-1的激光，其可以是石英材料的锥形残余光接收器、铜制材料的锥形残余光接收器等，也可以是传统功率计等。

本实用新型中，所述的高反镜将中心波长为λ_k的拉曼放大激光反射至功率计，其构成材料不限，可以是熔石英、K₉等，具体根据辐照激光功率密度选择，其反射谱包含拉曼放大激光的输出光谱。

本实用新型中，所述的功率计用以接收和测量中心波长为λ_k的拉曼放大激光的输出功率。

本实用新型中，所述的时空频一体化实时测量系统由光电探测显示仪、光谱测量仪、光束质量分析仪构成。光电探测显示仪一般由光电探测器和示波器或光电探测器和频谱仪构成，用于观察拉曼放大激光的时域稳定性和强度噪声；光谱测量仪用以测量拉曼放大激光的光谱分布；光束质量分析仪用于观察和测量拉曼放大激光的光束质量和远场光斑形态。

与现有技术相比，本实用新型能够产生以下技术效果：

1、本实用新型基于1阶拉曼泵浦光时域稳定性对大功率拉曼光纤激光振荡器转换效率、高阶拉曼产生阈值和光谱纯度的影响，提出采用时域稳定的单频激光或多单频激光泵浦大功率拉曼光纤激光振荡器提升拉曼转换效率、高阶拉曼阈值和光束纯度的技术方案。

1阶拉曼泵浦光种子源经过分束和功率放大后注入到拉曼光纤激光振荡器，拉曼光纤激光振荡器中不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合实现不同阶次拉曼激光的往返振荡和放大，1阶拉曼泵浦光高反光栅实现初始泵浦光的反射，将1阶拉曼泵浦光反射至拉曼增益光纤实现二次泵浦效果，最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和功率放大。

2、本实用新型基于1阶拉曼泵浦光时域稳定性对大功率拉曼光纤激光放大器转换效率、高阶拉曼产生阈值和光谱纯度的影响，提出采用时域稳定的单频激光或多单频激光泵浦大功率拉曼光纤激光放大器提升拉曼转换效率、高阶拉曼阈值和光束纯度的技术方案。

该方案中，1阶拉曼泵浦光种子源经过分束和功率放大后注入到拉曼光纤激光放大器，拉曼光纤激光种子为拉曼增益放大提供伺服种子信号，最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和功率放大。该方案的关键在于：1阶拉曼泵浦光种子源为(1)时域稳定的单频光纤激光或(2)时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或(3)时域稳定的多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光。一般而言，拉曼增益谱范围可覆盖数十太赫兹，因此，在>1um的近红外、通信波段、中红外及远红外范围内，多单频激光的波长覆盖范围小于～30nm即可。

3、本实用新型中，1阶拉曼泵浦光种子源产生方式多样，时域稳定单频光纤激光实现结构可以是分布式布拉格反射型单频光纤激光器、分布式反馈型单频光纤激光器、环形腔单频光纤激光器等；若1阶拉曼泵浦光种子源为时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光，则一般通过在时域稳定的单频光纤激光器外接入相位调制器件，对相位调制器件施加电学调制信号，实现多单频激光输出。相位调制器件一般为电光调制器，电光调制器可以是铌酸锂材料、石墨烯材料或其他可实现电光调制的材料。相位调制信号可以是正弦、白噪声、矩形脉冲、三角脉冲、双曲正割脉冲、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合或级联。

4、本实用新型中，拉曼光纤激光种子实现方式多样，可以是包含中心波长λ₁、λ₂…..λ_k输出的多波长光纤激光器或放大器，也可以是中心波长分别为λ₁、λ₂…..λ_k的k个光纤激光器或放大器经合束产生的多波长光纤激光。

5、本实用新型中，拉曼增益光纤的基质材料可有多种选择，可以是硬玻璃基质材料(如二氧化硅)，软玻璃机制材料(如硅酸盐、磷酸盐等)或其他类型的基质材料。

6、本实用新型具备通用性：就可放大波长范围而言，通过选取确定1阶拉曼泵浦光的中心波长λ₀和拉曼增益光纤的基质材料，该方法既可用于覆盖近红外波段和通信波段光纤激光的波长转换和放大，也可用于中红外波段或其他波段光纤激光的波长转换和放大。就可放大激光的偏振特性而言，该方法既可用于线偏振光纤激光的波长转换和放大，也可用于随机偏振光纤激光的波长转换和放大。

附图说明

图1为本实用新型的总体技术方案结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的结构示意图。

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施方式进行进一步的详细说明。

图1为本实用新型的总体技术方案结构示意图，如图1所示，包括1阶拉曼泵浦光种子源1、全光纤分束器2、1阶拉曼泵浦光放大阵列3、拉曼光纤激光器4、包层光滤除器5、光纤准直器6、二色镜7、残余光接收器8、高反镜9、功率计10、时空频一体化实时测量系统11。其中1阶拉曼泵浦光种子源1、全光纤分束器2、1阶拉曼泵浦光放大阵列3、拉曼光纤激光器4、包层光滤除器5和光纤准直器6构成大功率拉曼光纤激光产生系统。大功率拉曼光纤激光产生系统、二色镜7、残余光接收器8、高反镜9、功率计10和时空频一体化实时测量系统11构成用于测量大功率拉曼光纤激光产生系统其时域特性、光谱特性和光束质量参数的测试系统。

其中：1阶拉曼泵浦光放大阵列3包含r个全光纤放大器模块3～1、3～2…..3～r。时空频一体化实时测量系统11包括光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3。

1阶拉曼泵浦光种子源1可以是时域稳定的单频光纤激光或者时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或时域稳定的多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光。一般而言，拉曼增益谱范围可覆盖数十太赫兹，因此，在>1um的近红外、通信波段、中红外及远红外范围内，多单频激光的波长覆盖范围小于～30nm即可。时域稳定单频光纤激光实现结构可以是分布式布拉格反射型单频光纤激光器、分布式反馈型单频光纤激光器、环形腔单频光纤激光器等；若1阶拉曼泵浦光种子源1为时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光，则一般通过在时域稳定的单频光纤激光器外接入相位调制器件，对相位调制器件施加电学调制信号，实现多单频激光输出。相位调制器件一般为电光调制器，电光调制器可以是铌酸锂材料、石墨烯材料或其他可实现电光调制的材料。相位调制信号可以是正弦、白噪声、矩形脉冲、三角脉冲、双曲正割脉冲、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合或级联。

1阶拉曼泵浦光种子源1输出时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光，首先经过全光纤分束器2后分为r路子激光，经分束后的r路子激光入射至1阶拉曼泵浦光放大阵列3。1阶拉曼泵浦光放大阵列包含r个全光纤放大器模块3～1、3～2…..3～r，分别用于对r路子激光进行功率放大。

定义1阶拉曼泵浦光中心波长为λ₀，1阶拉曼激光中心波长为λ₁，依次类推，k阶拉曼激光中心波长为λ_k。其中，波长λ_i(1≤i≤k)满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。

经1阶拉曼泵浦光放大阵列3放大输出的激光注入拉曼光纤激光器4，为拉曼光纤激光器4提供初始泵浦光即时域稳定的中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光。拉曼光纤激光器4通过k阶拉曼放大过程实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大。具体而言，1阶拉曼泵浦光首先抽运拉曼光纤激光器4，将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼光纤激光器4，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和波长转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼光纤激光器4，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和波长转换；最终实现从中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。经拉曼光纤激光器4放大后的激光注入到包层光滤除器5。包层光滤除器5将拉曼放大激光中的包层光滤除到自由空间，避免包层光对光束质量产生影响；经包层光滤除器5后的拉曼激光经过光纤准直器6后输出到自由空间。光纤准直器6输出的激光首先入射到二色镜7，二色镜7将拉曼放大激光中未完全转换的中心波长为λ₀、λ₁、λ₂…λ_k-1的残余激光滤除到残余光接收器8，经二色镜7反射输出的拉曼放大激光进一步经高反镜9反射至功率计10。高反镜9透射的光束注入到时空频一体化实时测量系统11。时空频一体化实时测量系统11由光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3构成，分别对输出激光的时域特性、光谱特性和光束质量参数进行测试和表征。

下面结合附图2，对本实用新型一技术方案的具体实施方式进行进一步的详细说明。图2中拉曼光纤激光器采用拉曼光纤激光振荡器。

图2为本实用新型实施例1的结构示意图，如图2所示，包括1阶拉曼泵浦光种子源1、全光纤分束器2、1阶拉曼泵浦光放大阵列3、拉曼光纤激光振荡器2-4、包层光滤除器5、光纤准直器6、二色镜7、残余光接收器8、高反镜9、功率计10、时空频一体化实时测量系统11。其中：1阶拉曼泵浦光放大阵列3包含m个全光纤放大器模块3～1、2-3～2…..3～m；拉曼光纤激光振荡器2-4包括1阶拉曼泵浦合束器2-4～1、拉曼增益光纤2-4～2、不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合2-4～3，1阶拉曼泵浦光高反光栅2-4～4。时空频一体化实时测量系统11包括光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3。

不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合2-4～3中，第k阶拉曼光匹配的光纤光栅对为(2-4～3～2k，2-4～3～1)，第k-1阶拉曼光匹配的光纤光栅对为(2-4～3～2k-1，2-4～3～2)，依次类推，第1阶拉曼光匹配的光纤光栅对为(2-4～3～k+1，2-4～3～k)。

1阶拉曼泵浦光种子源1可以是时域稳定的单频光纤激光或时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或时域稳定的多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光。一般而言，拉曼增益谱范围可覆盖数十太赫兹，因此，在>1um的近红外、通信波段、中红外及远红外范围内，多单频激光的波长覆盖范围小于～30nm即可。时域稳定单频光纤激光实现结构可以是分布式布拉格反射型单频光纤激光器、分布式反馈型单频光纤激光器、环形腔单频光纤激光器等；若1阶拉曼泵浦光种子源1为时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光，则一般通过在时域稳定的单频光纤激光器外接入相位调制器件，对相位调制器件施加电学调制信号，实现多单频激光输出。相位调制器件一般为电光调制器，电光调制器可以是铌酸锂材料、石墨烯材料或其他可实现电光调制的材料。相位调制信号可以是正弦、白噪声、矩形脉冲、三角脉冲、双曲正割脉冲、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合或级联。

1阶拉曼泵浦光种子源1首先经过全光纤分束器2后分为m路子激光，经分束后的m路子激光入射至1阶拉曼泵浦光放大阵列3。1阶拉曼泵浦光放大阵列包含m个全光纤放大器模块3～1、3～2…..3～m，分别用于对m路子激光的功率放大。拉曼光纤激光振荡器2-4包括1阶拉曼泵浦合束器2-4～1、拉曼增益光纤2-4～2、不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合2-4～3、1阶拉曼泵浦光高反光栅2-4～4。经1阶拉曼泵浦光放大阵列3放大输出的激光通过1阶拉曼泵浦合束器2-4～1注入到拉曼增益光纤2-4～2，作为拉曼放大的初始泵浦光抽运拉曼放大过程。不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合2-4～3实现不同阶次拉曼激光的往返振荡和放大，其具体过程如下：定义1阶拉曼泵浦光中心波长为λ₀，1阶拉曼激光中心波长为λ₁，依次类推，k阶拉曼激光中心波长为λ_k。其中，波长λ_i(1≤i≤k)满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。设拉曼光纤激光振荡器2-4通过k阶拉曼放大过程实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大，则不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合2-4～3中包含k对光栅。图2中，第k对光栅(2-4～3～2k，2-4～3～1)的中心波长为λ_k，第k-1对光栅(2-4～3～2k-1，2-4～3～2)的中心波长为λ_k-1，依次类推，第1对光栅(2-4～3～k+1，2-4～3～k)的中心波长为λ₁。其中，第k对光栅(2-4～3～2k，2-4～3～1)由一个中心波长为λ_k的高反光栅2-4～3～2k和一个中心波长为λ_k的低反光栅2-4～3～1构成，第k-1对光栅(2-4～3～2k-1，2-4～3～2)、k-2对光栅(2-4～3～2k-2，2-4～3～3)……第1对光栅(2-4～3～k+1，2-4～3～k)分别为对应于中心波长为λ_k-1、λ_k-2……λ₁的高反光栅。经1阶拉曼泵浦合束器2-4～1导出的中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光首先抽运拉曼增益光纤2-4～2，在第1对光栅(2-4～3～k+1，2-4～3～k)组成的振荡腔内实现振荡和放大，将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤2-4～2，在第2对光栅(2-4～3～k+2，2-4～3～k-1)组成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤2-4～2，在第k对光栅(2-4～3～2k，2-4～3～1)组成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和转换；由于第k对光栅(2-4～3～2k，2-4～3～1)由一个中心波长为λ_k的高反光栅2-4～3～2k和一个中心波长为λ_k的低反光栅2-4～3～1构成，因此最终经过拉曼光纤激光振荡器放大的中心波长为λ_k的激光将经过低反光栅2-4～3～1输出。1阶拉曼泵浦光高反光栅2-4～4将1阶拉曼泵浦光二次反射至拉曼增益光纤2-4～2，实现二次泵浦效果，有效减小拉曼增益光纤的有效长度，提高1阶拉曼泵浦光利用率。最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。经拉曼光纤激光振荡器2-4放大后的激光注入到包层光滤除器5。包层光滤除器5将拉曼放大激光中的包层光滤除到自由空间，避免包层光对光束质量产生影响；经包层光滤除器5后的拉曼激光经过光纤准直器6后输出到自由空间。光纤准直器6输出的激光首先入射到二色镜7，二色镜7将拉曼放大激光中未完全转换的中心波长为λ₀、λ₁、λ₂…λ_k-1的残余激光滤除到残余光接收器8，经二色镜7反射输出的拉曼放大激光进一步经高反镜9反射至功率计10。高反镜9透射的光束注入到时空频一体化实时测量系统11。时空频一体化实时测量系统11由光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3构成，分别对输出激光的时域特性、光谱特性和光束质量参数进行测试和表征。

下面结合附图3，对本实用新型技术方案二的具体实施方式进行进一步的详细说明。本实施例中拉曼光纤激光器采用拉曼光纤激光放大器。

图3为本实用新型技术方案二的系统结构示意图，如图3所示，包括1阶拉曼泵浦光种子源1、全光纤分束器2、1阶拉曼泵浦光放大阵列3、拉曼光纤激光放大器3-4、包层光滤除器5、光纤准直器6、二色镜7、残余光接收器8、高反镜9、功率计10、时空频一体化实时测量系统11。

其中：

1阶拉曼泵浦光放大阵列3包含n个全光纤放大器模块3～1、3～2…..3～n；拉曼光纤激光放大器3-4包括1阶拉曼泵浦-信号合束器3-4～1、拉曼增益光纤3-4～2、拉曼光纤激光种子3-4～3；时空频一体化实时测量系统11包括光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3。

1阶拉曼泵浦光种子源1首先经过全光纤分束器2后分为n路子激光，经分束后的n路子激光入射至1阶拉曼泵浦光放大阵列3。1阶拉曼泵浦光放大阵列包含n个全光纤放大器模块3～1、3～2…..3～n-1、3～n，分别用于对n路1阶拉曼泵浦光子激光的功率放大。拉曼光纤激光放大器3-4由1阶拉曼泵浦-信号合束器3-4～1、拉曼增益光纤3-4～2、拉曼光纤激光种子3-4～3构成。经1阶拉曼泵浦光放大阵列3放大输出的激光通过1阶拉曼泵浦-信号合束器3-4～1的泵浦臂注入到拉曼增益光纤3-4～2，作为拉曼放大的初始泵浦光抽运拉曼增益光纤3-4～2。其中，1阶拉曼泵浦-信号合束器3-4～1是(n×1)+1的全光纤泵浦-信号合束器。若拉曼光纤激光放大器3-4通过k阶拉曼放大和转换实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大，则拉曼光纤激光种子3-4～3为含有中心波长λ₁、λ₂…..λ_k光谱成分的多波长光纤激光。其中：λ_i(1≤i≤k)满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。拉曼光纤激光种子3-4～3通过1阶拉曼泵浦-信号合束器3-4～1的信号臂注入到拉曼增益光纤3-4～2作为拉曼放大的伺服种子信号。拉曼光纤激光种子3-4～3输出的激光首先在1阶拉曼泵浦光抽运下，通过拉曼增益光纤3-4～2提供增益将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼放大激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子3-4～3的伺服下抽运拉曼增益光纤3-4～2，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子3-4～3的伺服下抽运拉曼增益光纤3-4～2，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的放大和转换。整体物理过程可理解为在拉曼光纤激光放大器3-4中进行边拉曼放大边转换的过程，最终实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和功率放大。经拉曼光纤激光放大器3-4放大后的激光注入到包层光滤除器5。包层光滤除器5将输出激光中的包层光滤除到自由空间，避免包层光对输出激光光束质量产生影响；经包层光滤除器5后的拉曼激光经过光纤准直器6后输出到自由空间。光纤准直器6输出的激光首先入射到二色镜7，二色镜7将拉曼放大激光中未完全转换的中心波长为λ₀、λ₁、λ₂…λ_k-1的残余激光滤除到残余光接收器8，经二色镜7反射输出的拉曼放大激光进一步经高反镜9反射至功率计10。高反镜9透射的光束注入到时空频一体化实时测量系统11。时空频一体化实时测量系统11由光电探测显示仪11～1、光谱测量仪11～2、光束质量分析仪11～3构成，分别对输出激光的时域特性、光谱特性和光束质量参数进行测试和表征。

以上所述仅为本实用新型的优选的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：包括1阶拉曼泵浦光子系统和拉曼光纤激光器，1阶拉曼泵浦光子系统用于产生时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光作为1阶拉曼泵浦光，1阶拉曼泵浦光泵浦拉曼光纤激光器，实现从1阶拉曼泵浦光到k阶拉曼激光的波长转换和拉曼放大。

2.根据权利要求1所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：1阶拉曼泵浦光子系统包括1阶拉曼泵浦光种子源、全光纤分束器和1阶拉曼泵浦光放大阵列；1阶拉曼泵浦光种子源用于产生时域稳定的中心波长为λ₀的单频光纤激光或多单频光纤激光；全光纤分束器将种子源发出的激光分为r路子激光；r路子激光经1阶拉曼泵浦光放大阵列进行功率放大，经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光泵浦拉曼光纤激光器。

3.根据权利要求2所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：1阶拉曼泵浦光种子源为时域稳定的单频光纤激光或者时域稳定的单频光纤激光经相位调制产生的多单频激光或者时域稳定的多个不同波长单频光纤激光合束产生的多单频激光。

4.根据权利要求1所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：还包括包层光滤除器和光纤准直器，拉曼光纤激光器输出的激光注入到包层光滤除器，将输出激光中的包层光滤除到自由空间，经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤准直器后输出到自由空间。

5.根据权利要求1所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：所述的拉曼光纤激光器是拉曼光纤激光振荡器或者拉曼光纤激光放大器。

6.根据权利要求5所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：拉曼光纤激光振荡器包括1阶拉曼泵浦合束器、拉曼增益光纤、不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合和1阶拉曼泵浦光高反光栅；

经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光注入到1阶拉曼泵浦合束器实现合束，经1阶拉曼泵浦合束器导出的中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光注入到拉曼增益光纤，不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅对组合通过k阶拉曼放大过程实现中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光到中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的波长转换和放大；其中不同阶次拉曼光匹配的光纤光栅包括k对光栅，第k对光栅的中心波长为λ_k，第k-1对光栅的中心波长为λ_k-1，依次类推，第1对光栅的中心波长为λ₁；第k对光栅由一个中心波长为λ_k的高反光栅和一个中心波长为λ_k的低反光栅构成，其他光栅对均是由一对高反光栅构成，即第k-1对光栅由一对中心波长为λ_k-1的高反光栅构成，第k-2对光栅由一对中心波长为λ_k-2的高反光栅构成……第1对光栅由一对中心波长为λ₁的高反光栅构成；在第1对光栅组成的振荡腔内实现振荡和放大，将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤，在第2对光栅成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光抽运拉曼增益光纤，在第k对光栅组成的振荡腔内实现振荡和放大，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的拉曼放大和转换，中心波长为λ_k的k阶拉曼激光将经过第k对光栅其低反光栅输出。

7.根据权利要求5所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：拉曼光纤激光放大器包括1阶拉曼泵浦-信号合束器、拉曼增益光纤和拉曼光纤激光种子；

经1阶拉曼泵浦光放大阵列放大输出的激光通过1阶拉曼泵浦-信号合束器的泵浦臂注入到拉曼增益光纤，作为拉曼放大的1阶拉曼泵浦光抽运拉曼增益光纤；拉曼光纤激光种子为含有中心波长λ₁、λ₂…..λ_k光谱成分的多波长光纤激光，其中：λ_i满足关系式λ_i＝λ_i-1+Δλ，1≤i≤k，Δλ为拉曼增益光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量；

拉曼光纤激光种子通过1阶拉曼泵浦-信号合束器的信号臂注入到拉曼增益光纤作为拉曼放大的伺服种子信号；拉曼光纤激光种子输出的激光首先在1阶拉曼泵浦光抽运下，通过拉曼增益光纤提供增益将中心波长为λ₀的1阶拉曼泵浦光转换为中心波长为λ₁的1阶拉曼放大激光；放大后中心波长为λ₁的1阶拉曼激光充当中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子的伺服下抽运拉曼增益光纤，实现中心波长为λ₁的1阶拉曼激光向中心波长为λ₂的2阶拉曼激光的拉曼放大和转换；依次类推，放大后的中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光充当中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的泵浦光，在拉曼光纤激光种子的伺服下抽运拉曼增益光纤，实现中心波长为λ_k-1的k-1阶拉曼激光向中心波长为λ_k的k阶拉曼激光的放大和转换，最终输出中心波长为λ_k的k阶拉曼激光。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：还包括用于测试所输出的中心波长为λ_k的k阶拉曼激光其时域特性、光谱特性和光束质量参数的测试系统。

9.根据权利要求8所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：测试系统包括二色镜、残余光接收器、高反镜、功率计和时空频一体化实时测量系统，其中，时空频一体化实时测量系统包括光电探测显示仪、光谱测量仪、光束质量分析仪。

10.根据权利要求9所述的大功率拉曼光纤激光产生系统，其特征在于：中心波长为λ_k的k阶拉曼激光首先入射到二色镜，二色镜将放大激光中未完全波长转换的残余激光滤除到残余光接收器，经二色镜反射输出的拉曼放大激光进一步经高反镜反射至功率计，高反镜透射的光束注入到时空频一体化实时测量系统实现对时域特性、光谱特性和光束质量参数的测试。