摘要

随着大功率半导体抽运技术和新型光纤结构的发展，高功率光纤拉曼激光器逐渐成为研究的热点。从锗硅单包层光纤、双包层光纤以及光子晶体光纤拉曼激光器的物理模型入手，介绍了高功率光纤拉曼激光器的基本理论，指出了它们各自的优缺点和最新的研究进展。论述了当前窄线宽光纤拉曼放大器的最新进展、存在的技术难点以及解决方法。展望了光纤拉曼激光技术在高功率激光器方面的发展前景。
关键词　激光器；受激拉曼散射；光纤拉曼激光器；窄线宽；高功率；光纤拉曼放大器

１　引　　言
与传统固体激光和化学激光相比，光纤激光具有光束质量更好、体积小、转换效率高、热管理方便等优点。目前高功率稀土离子掺杂光纤的输出激光功率突飞猛进。２００９年６月，ＩＰＧ 公司利用１０１８ｎｍ 激光器同带抽运单根掺镱光纤，获得了约１０ｋＷ 单模激光输出；２０１０年，ＩＰＧ 公司申请了不同波长的２０ｋＷ 级的光纤激光器系统专利［１］。由于稀土离子的吸收发射谱影响，光纤中受激放大方式输出的激光波长受到限制，在一些有特殊用途的波段如１０１８ｎｍ 波长附近的激光，采用这种掺杂离子受激放大方式就很难获得。然而光纤拉曼放大方式作为获取光纤激光的另一种重要途径，与掺杂离子的受激放大方式相比，具有更宽的增益带宽和更低的放大噪声特性，并能够获取各种特殊波长的激光，因此得到了人们的广泛研究。
    光纤拉曼放大方式基于光纤中激光产生的受激拉曼散射（ＳＲＳ）效应，将抽运光的能量转移到斯托克斯光上。光纤中的拉曼增益谱往往较宽所以其最大的优势是输出激光波长的易变性，可获得稀土离子掺杂光纤难以获得的波长，比如１０１８，１４８０ｎｍ 激光等。实际上采用这项技术可以获得光纤中透明的任意波长的激光，同时也适于许多其他对激光波长有特殊要求的天文、医学和工业应用。

    不同的光纤基质产生的拉曼频移大小也不一样，根据基质材料的不同，可将拉曼光纤大致分为锗硅光纤和磷硅光纤两种。同锗硅光纤（拉曼频移约为４４０ｃｍ－１）相比，磷硅光纤的主要优点是具有更大的拉曼频移（约１３３０ｃｍ－１），在相同波长的抽运激光抽运下仅需更少级次的级联就可获得所需波长的激光输出，但存在光学损耗相对较高和拉曼增益较低的缺点。关于级联光纤拉曼激光器，周晓军等［２］详细介绍了其发展状况，Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ等［３］利用级联锗硅光纤拉曼激光器获得了８１ Ｗ 的１４８０ｎｍ 激光的最高功率输出。
    另外拉曼放大方式还是获取高功率窄线宽激光输出的重要途径，高功率窄线宽激光在光电传感、激光雷达、光谱学等领域有非常广泛的应用，同时，在相干合成、谱合成以及频率转换等研究领域需要特殊波长、高功率、高光束质量的窄线宽激光。因此，对于窄线宽光纤拉曼放大器（ＮＬＦＲＡ）进行研究意义重大。
    针对光纤拉曼技术在高功率光纤激光技术中的重要性，本文主要介绍光纤拉曼技术在连续高功率硅基无源光纤方面取得的进展和发展趋势。首先从３种不同类型的光纤拉曼激光器的基本理论、优缺点等几个方面论述了高功率光纤拉曼激光器的研究进展，然后详细阐述了ＮＬＦＲＡ 的技术难点、解决方法和最新进展，最后展望了高功率光纤拉曼技术的发展前景。

２　光纤拉曼激光器
通过选用不同的增益光纤，可以获得不同的拉曼增益谱宽、拉曼增益系数、拉曼阈值和激光输出特性等。目前光纤拉曼激光器中的拉曼增益光纤主要有３种类型：单包层光纤（ＳＣＦ），双包层光纤（ＤＣＦ）和光子晶体光纤（ＰＣＦ）。

２．１　单包层光纤
    ＳＲＳ是高功率光纤激光中一种重要的非线性效应，利用该效应可以给激光器中的信号光提供增益，例如如果将一弱信号光和强抽运光同时耦合进光纤中，并且弱信号光位于强抽运光的拉曼增益谱带宽内，则此弱信号光就可以被放大［４］。在这种放大过程中，抽运光和斯托克斯光（信号光）之间的非线性相互作用可以用耦合方程表示：式中犐Ｓ 为斯托克斯光强，犐ｐ 为抽运光强，犵Ｒ 为拉曼增益系数，ωＳ 和ωｐ 分别为斯托斯光和抽运光频率，αＳ和αｐ 分别为斯托克斯光和抽运光在光纤中的吸收损耗系数。提高光纤内的小信号增益系数，可以提高拉曼饱和增益，有利于实现高功率激光输出。
    ２００９年，Ｆｅｎｇ等［５］利用图１所示结构实现了１５３ Ｗ 的１１２０ｎｍ 激光输出，该激光器的拉曼增益光纤为３０ｍ 标准硅基单模光纤（ＳＭＦ），抽运光为２００ Ｗ 的１０７０ｎｍ 连续光，有效抑制了二阶斯托克斯光，这是目前报道的功率最高的连续单包层拉曼激光器。

    单包层光纤拉曼激光器的优点有两个方面：１）抽运光在低功率时也可以得到较高的抽运光功率密度，因此拉曼增益系数较高，同时也具有较低的拉曼增益阈值；２）单包层光纤来源广泛，直接采用纤芯抽运方便可靠。缺点主要也有两个方面：１）单包层拉曼技术要求抽运光为单模激光，所以很难进一步提高抽运光功率，同时需要较高的激光入纤耦合效率；２）由于ＳＲＳ的产生需要很高的光强度，而小芯径光纤通常采用纤芯抽
运技术，限制了其功率进一步提升。单包层光纤中拉曼增益系数很低，抽运阈值高，降低阈值往往需要很长的光纤，而这时光纤中的激光损耗和高阶斯托克斯光的产生又成为了制约其向高功率发展的主要因素。因此目前关于高功率单包层光纤拉曼激光器的报道和研究都很少。
２．２　双包层光纤
    ２００２年，Ｎｉｌｓｓｏｎ等［６］提出了双包层抽运的光纤拉曼激光器和放大器理论，并证明了其可行性。他们指出实现一阶斯托克斯光的双包层拉曼技术，ＤＣＦ应满足两个基本条件［７］：式中犃ｃｌ是光纤内包层面积，犃ｃｏ是纤芯面积，犌ＳＲＳ
２ 是二阶斯托克斯光的增益系数，ζ０ 是对一阶斯托克斯光的非线性吸收系数，犐ｍａｘｓ 是光纤材质的受损阈值光强，η 表示光光转换效率。（３）式是对ＤＣＦ 的结构要求，为了有效抑制光纤中产生的二阶及高阶斯托克斯光，并且假设在抽运光耗尽的条件下能够获得最大的光光转
换效率，那么犌ＳＲＳ２ 与ζ０ 之比应该小于８，并且（３）式左边值越小，剩余抽运光也就越少，拉曼技术实现的光光转换效率也就越高。（４）式是对最大抽运光功率的要求，为防止光纤被损坏，抽运光强度应满足该不等式。

    Ｈｅｅｂｎｅｒ等［８］提出了设计和优化包层抽运光纤拉曼激光器和放大器的方法，并利用该方法制作了特殊的光纤波导结构，使得双包层光纤中一阶斯托克斯光和高阶斯托克斯光具有不同的损耗系数，成功将（３）式中包层纤芯面积比限制从８ 提高到４０，而且仿真得到的光光转
换效率可以提高到６０％以上。Ｃｏｄｅｍａｒｄ等［９］利用８５ｍ长的掺锗双包层拉曼光纤（ＤＣＲＦ）搭建了如图２所示的双包层光纤拉曼激光器，实现了在１１２０ｎｍ 处１００ Ｗ 的连续拉曼光输出，这是目前报道的最高输出激光功率的双包层光纤拉曼激光器。
    双包层光纤拉曼激光器的特点在于可以通过特殊设计的ＤＣＦ结构和改变掺杂离子的浓度，获得比单包层光纤更高的拉曼增益系数，同时降低了对于抽运光质量的要求，可以使用多模抽运光源，普通掺杂光纤中较成熟的包层抽运技术可以用到ＤＣＦ 拉曼技术中来。缺点是随着功率的提高，很难控制光纤中的光波模式，高阶噪声增大，导致光光转换效率降低。双包层光纤拉曼激光器正朝着采用不同掺杂离子、高浓度、光纤结构进一步优化等方面发展。

２．３　光子晶体光纤
    ＰＣＦ与ＳＣＦ和ＤＣＦ相比在光纤结构、单模特性、色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。由于ＰＣＦ的横截面具有特殊的几何结构，Ｆｕｏｃｈｉ等［１０］指出在ＰＣＦ 拉曼激光器中应考虑拉曼增益在光纤横截面上的积分形式，如（１），（２）式所示。有效拉曼增益系数犵Ｒ和拉曼有效增益面积犃Ｒｅｆｆ的关系为式中珚犵Ｒ 为ＰＣＦ横截面上的拉曼增益系数。通过对ＰＣＦ中空气孔的排列和大小的控制，可以减小有效拉曼增益面积，大大增强其非线性效应，有效拉曼增益系数可以达到１０ Ｗ－１·ｋｍ－１［１１］。如果在ＰＣＦ的空气孔中
填充合适的非线性材料（如氢气），还可以大大提高ＰＣＦ 的非线性［１２～１４］。ＰＣＦ 的高非线性对于拉曼激光器和拉曼放大器都具有很大的吸引力。

    ２００６年，北京交通大学Ｆａｎｇ等［１５］从理论上分析了当抽运光和信号光具有相同偏振态时，ＰＣＦ 可以获得更高的拉曼增益，通过他们设计的ＰＣＦ 可以在１５５０ｎｍ 处获得５０ Ｗ－１·ｋｍ－１ 的拉曼增益。２０１０ 年，Ｃｏｕｎｙ等［１６］使用充氢气的空心ＰＣＦ（ＨＣＰＣＦ）搭建了如图３所示的ＰＣＦ 拉曼激光器，在１０６１ｎｍ 处８５ Ｗ的抽运光作用下，获得了１１３１ｎｍ 处５５ Ｗ 的斯托克斯光出，是迄今报道的最高输出功率的ＰＣＦ 拉曼激光器。
    虽然ＰＣＦ拉曼激光器可以获得比ＤＣＦ 更高的拉曼增益和更优异的光束特性，但是受目前工艺制作水平和价格的限制，短时间内还是以采用仿真软件对特殊结构的ＰＣＦ拉曼激光器的理论研究为主。

３　窄线宽光纤拉曼放大器
    高功率窄线宽光纤激光在光电传感等领域有非常广泛的应用，同时，在相干合成、谱合成以及频率转换等研究领域需要特殊波长、高功率、高光束质量的窄线宽激光。拉曼放大方式是获取高功率窄线宽激光输出的重要途径［１７］。２００９年，Ｆｅｎｇ 等［１８，１９］通过采取有效的受激布里渊散射（ＳＢＳ）抑制措施，使得ＳＢＳ 阈值提高了１０ 倍，并获得了线宽为３．５ ＭＨｚ、功率为２０．７ Ｗ 的１１７８ｎｍ 激光
输出，拉曼放大器结构如图４所示［１９］。实验中使用的种子源为分布反馈式（ＤＦＢ）半导体激光器，输出功率为１０ｍＷ，１１２０ｎｍ 抽运光的功率为６７ Ｗ，光光转换效率达到了３０．９％。

    后来，他们通过进一步改进ＳＢＳ抑制措施，并采用输出功率为１５０ Ｗ 的１１２０ｎｍ 光纤拉曼激光器提供抽运光［５］，单路ＮＬＦＲＡ 输出１１７８ｎｍ 光功率达到了３９ Ｗ，输出线宽小于１．５ ＭＨｚ，光光转换效率约为２８％，如图５所示［２０］。

    由于拉曼散射增益系数较小，在光纤拉曼放大器中，为了给信号光提供足够的增益，往往需要使用几十米甚至数百米的光纤。因此，如果运行在窄线宽状态下，信号光在被放大的同时，其自身的ＳＢＳ 效应很容易发生，从而限制了放大器输出功率的提升，使得输出功率长期以来一直处于较低的水平。

    目前关于光纤放大器中ＳＢＳ 抑制的研究主要集中在窄线宽掺镱光纤（ＹＤＦ）放大器中，适用于ＮＬＦＲＡ 的抑制方法通常有对光纤施加纵向的应力或温度场分布、采用特殊设计的声光分离光纤、展宽ＳＢＳ增益谱、降低信号光谱功率密度等几种［２１］。这些方法虽然原理不同，也各自都有比较明显的优缺点，但都能在一定程度上提升窄线宽放大器的输出功率。其中通过在增益光纤上施加纵向的应力或温度场分布，以展宽ＳＢＳ的增益线宽的方式较为实用；而通过双波长放大来降低信号光谱功率密度的方式，特别能符合钠导星光源要求间隔为１．７ＧＨｚ双窄线宽的应用要求。然而，在施加应力或温度场分布时，存在强度不能太大的缺点，而双窄线宽放大时又易受到四波混频（ＦＷＭ）的影响。
    针对ＮＬＦＲＡ 存在ＳＢＳ影响的问题，可以考虑多级放大的方式，通过合理选择各级放大器的抽运功率、光纤类型及长度等，并配合使用简单施加应力梯度的ＳＢＳ抑制措施来获得较高功率的激光输出，同时可以考虑采用一定的技术手段来消除双窄线宽放大时的ＦＷＭ 噪声，通过综合抑制ＳＢＳ的手段来提高ＮＬＦＲＡ的输出功率。