摻鐿拉曼光纖放大器解決了光纖激光器限制輸出問題

拉曼光纖激光器已經(jīng)能夠達到很高的功率水平。然而在拉曼光纖中，波分復用（WDM）組件通常對泵浦和種子激光進行合束，從而使該組件成為實現(xiàn)更高功率的瓶頸。同樣地，用于泵浦1178nm拉曼光纖放大器（倍頻至589nm，用于自適應光學望遠鏡在上層大氣中產(chǎn)生鈉導星）的1120nm鐿（Yb）光纖激光器，也深受放大自發(fā)輻射（ASE）和1060nm處寄生激光的影響，嚴重限制了1120nm光纖激光器的輸出。

為了解決這些問題，并創(chuàng)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(jīng)開發(fā)出了一種集成的摻鐿拉曼光纖放大器（YRFA）架構(gòu)，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。放大器采用一段摻鐿光纖、其后跟隨一段拉曼增益光纖的結(jié)構(gòu)，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復用組件的需求。

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(zhuǎn)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(fā)射器（1120nm和1070nm波長的功率水平可調(diào)）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，隨后直接與放大光纖熔接。

合束器后的泵浦功率為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(fā)的包層模消除器去除殘余的976nm泵浦光，輸出光纖的8°切割角抑制了寄生振蕩。

對只摻鐿的光纖放大器的模擬表明：只采用1120nm的種子激光，產(chǎn)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(diào)整為功率為38W的1120nm激光和2W的1070nm激光時，ASE被抑制到比信號低55dB和42dB的水平，這表明多波長種子激光能夠有效地抑制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。對于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。之后，1070nm的信號達到最大值，并開始通過拉曼轉(zhuǎn)換為1120nm。這種拉曼頻移沿摻鍺光纖的長度方向持續(xù)，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，僅受限于泵浦功率。初始1120nm種子激光的線寬為1.6nm，由于光纖段內(nèi)縱向模式的四波混頻，在經(jīng)過完全放大后線寬展寬到3.3nm。

目前，摻鐿光纖激光器可以產(chǎn)生千瓦甚至數(shù)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(gòu)。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(xiàn)了完整的架構(gòu)；研究人員認為實現(xiàn)高于千瓦級的拉曼光纖激光器是可能的。

“事實上，我們最近已經(jīng)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(shù)研究員馮衍說道，“我們提出的激光器結(jié)構(gòu)允許進一步提升拉曼光纖激光器的功率，并且由于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。”