（光学工程专业论文）内腔式光纤拉曼激光器的理论研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘垄 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：迎熊 导师签名 山东大学硕士学位论文 中文摘要 目前，受激拉曼散射( s r s ) 是重要的变频技术之一。受激拉曼散射光的光谱 范围很宽，大大拓宽了激光光谱范围。此外，受激拉曼散射具有多种优良特性， 如散射光光束质量好、脉宽窄、不需要相位匹配、并且具有高的转换效率。近年 来，光纤中的拉曼效应也成为研究热点。光纤具有小的横截面积和高的能量密度， 因此利用光纤长的作用距离实现了连续拉曼激光器，并且使连续光泵浦成为可能。 另外，随着作为泵浦光的双包层掺稀土光纤激光器、光纤内写入布拉格光栅、高 拉曼增益光纤等一系列技术的发展，光纤拉曼激光器作为一种新型的拉曼激光器， 受到了人们的极大关注。 气体和晶体中的受激拉曼散射的理论研究比较充分，而光纤中的受激拉曼散 射由于发展较晚，其理论研究及光纤拉曼激光器的理论研究尚不成熟。尤其是内 腔式光纤拉曼激光器，最近才有相关实验的文献报道 澳大利亚的y u c h e n gz h a o 和s i u a nd j a c k s o n 在杂志o p t i c sl e t t e m 上发表 了一篇内腔式光纤拉曼激光器实验的文章实验在连续光泵浦的情况下，没有利 用传统的调q 、锁模技术即产生了纳秒量级的基频光及一阶、二阶斯托克斯光。 这种现象令人惊奇，因此引起了人们的极大兴趣 这种非传统得到的脉冲光，其物理机制是什么，其输出是否稳定，决定着这 种内腔式光纤拉曼激光器是否能够成为拉曼变频技术的一个新热点。但是由于其 复杂的物理机制，目前仍没有给出一个物理模型。因此本论文的研究目的即为以 光的传输方程为研究手段，仅考虑光与介质的相互作用及光与光之间的耦合作用， 以最基本的物理方法，建立数学模型，并进行数值模拟，最终得到了与该实验基 本一致的结果，但是发现从严格意义上来说，输出脉冲不是稳定的。同时，从物 理的角度，分析了产生这种脉冲现象的机制不同于实验作者的基于饱和拉曼增 益的被动调q 的脉冲机制的定义，本论文认为这主要是由内腔式光纤拉曼激光器 的光与介质及各种光之问的非线性作用引起的。 关键词：内腔式光纤拉曼激光器掺镱双包层光纤激光器自锁模传输方程 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) i so n eo ft h em o s te f f i c i e n tw a y so ff r e q u e n c y c o n v e r s i o n d u et ot h eb r o a ds p e c t r u mi n v o l v e di nt h es r sp r o c e s s ，t h i st e c h n i q u eh a s e x p a n d e dt h es c o p eo ft h ea v a i l a b l el a s e rw a v e l e n g t h s s r si sa d v a n t a g e o u si nm a n y a s p e c t s ，s u c ha sg o o db e a mq u a l i t y , s h o r td u r a t i o n ，n on e e df o rp h a s em a t c h i n ga n dh i g h c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y r e c e n t l y , s r si no p t i c a lf i b e r sh a sb e c o m eaf o c u so fr e s e a r c h w h i c hd r a w sal o to fa t t e n t i o n w i t hp o t e n t i a ll o n gd i s t a n c e ，s m a l lc r o s ss e c t i o na n dt h u s l a r g ee n e r g yd e n s i t y , o p t i c a lf i b e r sc a nb eu s e da sc o n t i n u o u sw a v e ( c w ) r a m a nl a s e r s ， w h i c he n a b l ec wp u m p i n g f u r t h e r m o r e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd o u b l ec l a d r a r e - e a r t hd o p e df i b e rl a s e r s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dh i g h g a i nr a m a no p f i c a if i b e r s ， f i b e rr a m a nl a s e r sa san o v e ll a s e rs o u r c eh a v ea t t r a c t e di n t e n s i v er e s e a r c hi n t e r e s t t h e o r i e sc o n c e r n i n gs r si ng a s e sa n dc r y s t a l sh a v eb e e nf u l l yd e v e l o p e d h o w e v e r , s i n c eu t i l i z a t i o no fs r si nf i b e r sr e l a t i v e l yl a g g e db e h i n d ，t h et h e o r i e s ， e s p e c i a l l yt h o s eo nf i b e rr a m a nl a s e r sa r ef a rf r o mm a t u r e o n ee x a m p l ei st h e i n t r a - c a v i t yf i b e rr a m a nl 勰e r sw h i c hh a v eb e e nr e p o r t e de x p e r i m e n t a l l yn o tl o n ga g o i nt h e i rp a p e r 。y u c h e n gz h a oe ta lr e p o r t e dn a n o s e c o n df u n d a m e n t a ll a s e r , f i r s t - o r d e r s t o k e sa n ds e c o n d - o r d e rs t o k e sg e n e r a t i o ni ni n t r s c a v i t yf i b e rr a m a nl a s e rw i t h o u t e m p l o y i n gt r a d i t i o n a lq s w i t c h i n g o rm o d e l o c k i n gt e c h n i q u e s t h i s p h e n o m e n o n s e e m sa m a z i n ga n da r o u s e sg r e a ti n t e r e s t d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ei n t e r a c t i o n si n v o l v e di nt h i ss y s t e m , t h ep h y s i c a l m e c h a n i s mu n d e r l y i n gt h i sn o v e lp u l s e dl a s e rs o u r c e , a n dt h es t a b i l i t yo fi t so u t p u t r e m a i nu n c l e a r i no u rt h e s i s 。w i t ht h en o n l i n e a rp r o p a g a t i o ne q u a t i o n st oa c c o u n tf o r t h es r sp r o c e s si nt h er a m a nf i b e r , a n dt h er a t ee q u a t i o nf o rt h ec o l i l i n o nl a s e rf i b e r , w eb u i l du pap h y s i c a lm o d e lt os t u d yt h ee v o l u t i o nd y n a m i c si nt h i sn o v e ls o u r c e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sq u a l i t a t i v e l ya g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b e s i d e s ， w ef i n dt h a ts t r i c t l ys p e a k i n g ，t h eo u t p u ti sn o ts t a b l e f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，w et h i n kt h ep u l s em a i n l yo r i g i n a t e sf r o mt h ec o m p l e xn o n l i n e a ri n t e r a c t i o n s a m o n gt h el a s e rm e d i a , t h ef u n d a m e n t a lw a v e ，t h ef i r s ta n dt h es e c o n ds o t k e sw a v e s ， r a t h e rt h a nt h es a t u r a t e dr a m a ng a i np r o p o s e db yt h ea u t h o r s k e yw o r d s ：i n t r a c a v i t yf i b e rr a m a n l a s e r y b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a df i b e rl a s e r s e l f - m o d el o c k i n g p r o p a g a t i o ne q u a t i o n s 2 山东大学硕士学位论文 1 1 光纤拉曼激光器简介 第一章绪言 1 9 2 8 年，印度科学家拉曼发现了自发拉曼散射f l 】。拉曼散射为非弹性散射， 散射光频率与入射光频率之差等于分子内部振动或转动频率。拉曼散射光带有 分子结构的信息，在光谱学方面有着广泛的应用，是研究物质结构的重要手段。 受激拉曼散射是较早被发现的非线性现象之一，激光产生后不久，w o o d b u r y 和 n g 于1 9 6 2 年在用硝基苯克尔盒研究红宝石激光器调q 时，观测到相对激光频 移1 3 4 5 锄4 的红外激光输出，首次发现了受激拉曼散射效应f 2 】受激拉曼散射 具有多种优良特性，如散射光为相干光；转化效率高；散射光束空间分布质量 好，亮度高；散射光脉冲窄，甚至可以达到比泵浦脉冲更高的峰值功率等受 激拉曼散射光的频率是由入射激光频率和拉曼介质的拉曼振动模频率决定的， 因此利用现有拉曼介质的丰富振动频率及已有的激光频率，散射光的光谱可遍 及紫外到近红外的范围。 另外，由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动 或转动能级有关因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到 有关分子振动或转动的信息拉曼光谱分析技术早已广泛应用于物质的鉴定，分 子结构的研究 随着激光在医药、通讯、工业制造等各个领域的应用，开发各种特殊波长的 激光成为了实际的需要由于拉曼效应也是一种使光源变频的重要手段，通过选 择拉曼介质，可以得到具有所需波长的光于是拉曼激光器得到了巨大的发展。 8 0 年代以前，拉曼激光器的拉曼介质主要是气体和液体。近年来，固体拉曼激光 器也得到了显著的发展 气体介质便宜、纯度高、方便得到、并且具有较大的转换效率、较高的聚焦 阙值和低的散射损耗等优点，具有比较长的历史，例如h 2 、o h 4 等1 3 - o i 液体介质 由于大部分具有毒性和挥发性以及在可见和近红外区中的高吸收性，一直没有得 到很好的利用1 4 1 而近年来的固体介质具有气体和液体不可比拟的优点，所以引起 了人们的广泛关注。其显著优点主要表现在。离子浓度大，拉曼晶体的尺寸通常 3 山东大学硕士学位论文 为几个厘米，使得以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器结构紧凑，以很小的体 积就可以实现有效的拉曼转换；而要实现同样的拉曼增益，拉曼气体池往往需要 数米，实验装置尺寸太大，同时气体拉曼介质存在高压密封等问题。其次，拉曼 晶体良好的导热性可以省去拉曼装置的冷却系统，而对于气体和液体来说，冷却 必不可少。另外，晶体具有良好的化学稳定性、机械性质等众多优点，使得近年 来固体拉曼激光器异军突起，成为非线性光学和固体激光器领域的一个研究热点。 一般的固体激光器都是工作于调q 模式，这是由于受激拉曼散射高的阂值， 连续拉曼激光器实现起来较为困难，但通过一些措施，连续拉曼激光器已经得到 发展。其中一种方法是利用波导中小的光束尺寸和高的能量密度来实现连续拉曼 激光器。例如利用光纤长的作用距离实现了光纤拉曼激光器。 九十年代激光领域里比较大的进展就是连续单模光纤拉曼激光器，其可以在 1 1 1 6 肋l 的近红外区产生激光，其光束质量较好，功率可以达到瓦的量级。最 初，研究拉曼光纤激光器的目的是为了满足泵浦1 6 - 朋l 光纤拉曼放大器需要连续 泵浦源的要求 7 - s 。后来，发现光纤拉曼激光器对于其他光纤放大器( 例如稀土掺 杂光纤放大器) 也是很有前途的泵浦源。光纤放大器在光纤通讯系统里的广泛应 用，尤其是在波分复用方面，使研究和使用光纤拉曼激光器成为研究的一个重点。 近年来的三个研究成果对光纤拉曼激光器的发展起到了重要的推动作用： 1 ) 低损耗单模光纤的有效的受激拉曼现象的观测研究1 9 j 。 2 ) 二极管泵浦的掺镱( y b “) 或掺钕( n d a + ) 双包层光纤激光器的发展1 1 0 1 3 ) 光纤光敏性的发现和在光纤内写入布拉格光栅的技术的创造【1 1 l 。 关于新发展的低损耗石英光纤的最初实验中有一个是由s t o l e n 在1 9 7 1 年报 道的关于受激拉曼散射的实验【9 l 。在这个实验中，他第一次在单模光纤中观察到了 受激拉曼散射。受激拉曼散射可以通过单通超辐射或振荡器输出得到。振荡器的 结构是由一段长1 9 0 c m 、直径为4 一肋l 的单模光纤作为有源介质，还有两个镜子 作为腔镜。一个n d ：y a g 脉冲激光器经二倍频，作为泵浦源。这个振荡器的阈值 是非常高的，在光纤中的功率约为5 0 0 瓦。造成这种高闺值的其中一个原因是光 纤中的损伤引起的光纤损耗。在这个实验之后的7 0 年代后期，又有更多的研究关 注于光纤拉曼振荡器。之后，可见光【1 3 - 1 5 】和近红外波段【倍17 l 的低阈值、可调谐光 4 山东大学硕士学位论文 纤拉曼振荡器陆续的出现。高质量、低损耗的光纤的制造降低了光纤受激拉曼散 射阙值( ( 1 w ) 和光纤恶化带来的问题【14 1 通过振荡器中的四阶斯托克斯光，在 5 2 0 。5 6 0 n m 光谱范围内调谐范围可达到3 5 n m 14 】 1 8 1 。 尽管以上的实验采用的二极管泵浦源对于构造光纤拉曼激光器具有紧凑、有 效和便宜的优点，但是，这必须需要二极管和单模光纤的良好的耦合。为了解决 这个问题，使用y b “( 或n d “) 等稀土掺杂的双包层光纤激光器作为光纤拉曼激光 器的泵浦源是最好的选择。 掺稀土光纤激光器以其效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和高性 能价格比等众多优点，成为近年来备受关注的有源光纤器件。特别是上世纪末掺 稀土离子单模光纤生产技术和半导体工艺的发展，促成了有源光纤器件及其应用 技术的崛起和腾飞【1 恻。同时，由于镱离子( y b 3 + ) 具有简单的能级结构、宽的 吸收和发射截面，从上世纪8 0 年代后期开始，人们将镱离子掺入石英或氟化物光 纤中，作为一种激光器的激励节制进行广泛而深入的研究，并取得了很多进展 普通的掺稀土离子单模光纤的纤芯只有5 8 坤l ，泵光很难有效地耦合到光纤 纤芯中去，因此，光纤激光器通常被认为是一种低功率的光子器件。上世纪九十 年代发展起来的包层泵浦技术又为光纤激光器的发展锦上添花，把激光输出功率 提高了6 个量级以上，使得结构更紧凑，泵浦效率和输出功率更高且单模数出的 双包层光纤激光器成为人们的研究重点刚高功率( 可达几十瓦的连续光) 、良好 光束质量和窄线宽( 一1 ，肋) 的掺y b “( 或n d 3 + ) 双包层光纤激光器成为光纤拉曼激 光器有效的泵浦源 对于光纤拉曼激光器，布拉格光栅( f b d ) 也是一个关键的部分布拉格光 栅可以作为具有高反射率的腔镜，从而实现光纤拉曼激光器中的高达6 阶的斯托 克斯光剀 这样，光纤拉曼激光器已经实现了全光纤化。 为达到受激拉曼散射的阈值，固体拉曼激光器通常都工作于调q 模式。但是 对于光纤拉曼激光器就不同了，由于光纤中小的光束尺寸和大的功率密度，其完 全可以在连续光泵浦的情况下实现拉曼过程本论文研究的就是连续光泵浦的内 腔式光纤拉曼激光器 s 山东大学硕士学位论文 内腔式光纤拉曼激光器是一种提供频移和提高激光强度和效率的有效手段。 内腔式光纤拉曼激光器有以下几个优点：1 ) 产生由基频光频移得到的高强度的拉 曼散射光；2 ) 产生脉宽短到可与泵浦腔的渡越时间相比拟的拉曼光：3 ) 散射光高 的量子转化效率；4 ) 有效的在具有低发射截面的激光增益介质中抽取能量；5 ) 产生具有低空间发射角的斯托克斯光输出( 例如斯托克斯光能够做到包含的模式 数比泵浦光要少) 。 目前，内腔式光纤拉曼激光器的相关文献比较少，最近，澳大利亚的y u c h e n g z h a o 和s t u a r td j a c k s o n 在杂志o p t i c sl e t t e r s 上发表了一片文章 2 5 1 ，给出了内腔 式光纤拉曼激光器的实验结果，并且发现了一个很有趣的现象，即在没有任何传 统调q 和锁模手段的情况下，出现了稳定的基频光和一阶、二阶斯托克斯光的纳秒 ( n m ) 量级的脉冲光，作者把它定义为一种基于饱和拉曼增益的被动调q 。但是， 几个月后，瑞士的r p a s c h o t t a 也在o p t i c sl e t t e r s 上发表7 一篇关于这个实验的评 论 2 6 1 ，认为实验作者y u c h e n gz h a o 和s t u a r td j a c k s o n 对于该实验机制的解释有 待商榷，并且认为这个实验输出的脉冲光是不稳定的。但是遗憾的是，这两篇文 章都没给出任何的理论模型依据，也没有理论模拟的结果。 鉴于此，本论文将给出这个实验的理论模型，并进行数值模拟，以来验证这 种内腔式光纤拉曼激光器输出是否稳定。 1 2 本论文的研究内容 本论文以已有的内腔式光纤拉曼激光器实验为研究对象，给出了理论模型并 进行数值模拟，指出这种激光器的脉冲现象属于一种自锁模，并且其输出在严格 意义上说不是很稳定本文的具体结构如下： 第一章：简单介绍了拉曼现象及光纤拉曼激光器的发展。 第二章：介绍拉曼效应的理论基础，着重分析了光纤内的拉曼效应的特点及 激光器的构成，并对光纤中的拉曼效应的耦合传输方程进行了简单介绍。 第三章：介绍了掺镱的光纤激光器的特点：包层泵浦技术、掺镱光纤的物理 性质、二能级模型及掺镱光纤连续激光器中的不稳定的现象。 第四章：建立了具有普遍性的传输方程作为内腔式光纤拉曼激光器的理论模 6 山东大学硕士学位论文 型，并进行理论模拟，证明这种激光器的确可以出现脉冲现象，但其是不稳定的， 并从物理的角度进行分析，从而得到了不同于实验作者的对于这种内腔式光纤拉 曼激光器的脉冲机制的解释，认为脉冲的形成是由于光与介质的相互作用及各种 光之间的非线性作用引起的自锁模现象。 第五章：对内腔式光纤拉曼激光器的脉冲机理做了总结，提出今后需要继续 的工作 参考文献 【1 】c v r a m a n ，i m t k m j p h y s 。v 0 1 2 。p p 3 8 7 ，1 9 2 8 【2 】e j w o d b u r y , w kn g 。p r o c e e d i n g so f t h ei r e 5 0 。p p 2 3 6 7 。1 9 6 2 【3 】w ：h c u l v e r j t 丸v a n d e r s f i c e ，a n dv w ：t t o w n s e n d , c o n t r o l l e dg e n e r a t i o no fi n t e n s e l i g h t p u l s e s i nr e v e r s e - p u m p e d r a m a n l 舢? a p p l p h y s 匕髓v 0 1 1 2 ，p p 1 8 9 - 1 9 0 , 1 9 6 8 【4 】ge e h h a r d t , s e l e c t i o no fr a m a nl a s e rm a t e r i a l s , i e e ez 跏硎me l e c t r o n ，v 0 1 2 。p p 1 4 ， 1 9 6 6 【5 】wm i n e k ，e e h a g a n l o c k e r , a n dwgr a d o s t i m u l a t e dp u r er o t a t i o n a lr a m a ns c a t t e r i n g i nd e u t e r i u m , ”p h y s r e v l e t t 。v 0 1 1 7 p p 2 2 9 - 2 3 2 。1 9 6 6 6 】j rm u r r a y , j g o l d h a r , a n da s z o k e 。 b a c k w a r dr a m a ng a i nm e a s u r e m e n t sf o rk r fl a s e r r a d i a t i o ns c a t t e r e db ya v a p p lp h y s k 垃，v 0 1 3 2 。p p 5 5 1 - 5 5 3 ，1 9 7 8 7 1 o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n i n t e g r a t e do p t i c s , a n n u a lr e p o r to ft h eg e n e r a lp i i y s i i n s f i t r u s s a n a c a d o f s c i 1 9 9 3 , p 7 j a n 1 9 9 4 【8 s g m b b ，t e r d o g s n ，v m i z r a h i , t s t r a s s e r , e t c “1 3 朋c a s c a d e d r a m a n a m p f i f i e r i n g e r m a n o s i h c a 忙f i b e r s 。i np r o c t o p m e e t i n go p 吐c a la m p l i f i e r 3a p p f i c a t i o n s 。b r e c k e n r i d g e c o 1 9 9 4 , p o s t d e a d l i n ep a p e rp d 3 1 。p 1 8 7 9 r i - l s t o l a n , e e l p p e n a n da r i y n e a 。 r a m a n o s c i l l a t i o ni n # a s so p t i c a l w a v e g u i d e a p p l p h y $ l e t t ，v 0 1 2 0 p p 6 2 - 6 5 ，1 9 7 2 【1 0 h p o ，e s n i t z e r , l y u m m i n e l l i 。e h a k i m i ，n m c h u 。e r e d o u b l ec l a dh i i g hb r i 曲t n e t 镕n df i b c l l a s e rp u m p e db yg a a i a sp h a s e da r r a y i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sc o n f 。h o u s t o n , t x , p a p e rp d - 7 ，1 9 8 9 1 1 k o h i l l y f u j i i , d c j o h m o n , e t c p h o t o s c m i t i v i t yi no p t i c a lf i b e rw a v e g u i d e s ：a p p l i c a t i o nt o r e f l e c t i o nf i b e rf a b r i c a t i o n a p p l p h y s l e t t ，v o i 3 2 p p 6 4 7 - 6 4 9 , 1 9 7 8 1 2 q m e l t z ，w w m m e y , a n dw m g l e n n 。f o r m a t i o no fb r a g gg r a t i n g si no p t i c a lf i b e r sb ya 缸m y e 嗽h o l o g r a p h i cm e t h o d o p t l e a ，v 0 1 1 4 ，p p 8 2 3 - 8 2 5 ，1 9 8 9 1 3 i t 0 h i l l ，b s , k a w a s a k i ，d c j o h n s o n , l o w - t h r e s h o l dc wr a m a nl a s e i a p p l p h y s l e t t 。v 0 1 2 9 7 山东大学硕士学位论文 p p 1 8 1 1 8 3 ，1 9 7 6 【1 4 r k j a i n , c l i n r h s t o l e n , e t c “a h i g i l - - c f f i c i e n c y t u n a b l ee wr a m a no s c i l l a t o r ” a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 3 0 ，p p 1 6 2 - 1 6 4 。1 9 7 7 【1 5 d c d o h n s o n ，k o h i l l ，b s k a f f a s a k i ，e t c t u n a b l er a m a nf i b e r o p t i cl a s e r 。e l e c t r o n , l e t t v 0 1 1 3 ，p p 5 3 5 4 1 9 7 7 【1 6 c “n ，l c x c o h e n ，r h s t o l e n , e t c n e a r - i n f r a r e ds o t i r s e si nt h e1 - 1 3 a nr e g i o nb ye f f i c i e n t s t i m u l a t e dr a m a ne m i s s i o ni ng l a s sf i b e r s ，”o p t c o m m u n ，v 0 1 2 0 ，p p 4 2 6 - 4 2 8 。1 9 7 7 1 1 7 】c l i n 。r h s t o l e n ，a n dl0 c o h e n ar u i n a b l e1 1 - _ h if i b e rr a m a n o s c i l l a t o r , ”a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 3 1 ，p p 9 7 - 9 9 。1 9 7 7 d s r 瓦j a i n ，c l i n r h s t o l e n 。a n da a s h k i n “at u n a b l em u l t i p l e s t o k e sc wf i b e rr a m a n o s c i l l a t o r ，”a p p i p h y s k 兢。v 0 1 3 1 。p p 8 9 - 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o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ”w i l e y 。n e w y o u l1 9 9 2 2 4 s g g m b b 。t s t r a s s e r , w y c b e u n g , w a r e e d ，v m i z r a h i t e r d o g a n ，p j l e m a i r e 。九 m v e n g s a r k a r , d j d i g i o v a n n i ，d w p e c k h a m , a n db h r o c k n e y 。 h i g h p o w e r l 4 8 m c a s c a d e dr a m a nl a s e ri ng a r m a n o s i l i c a t ef i b e r s i np r o e t o p m e e t i n go p t i c a la m p l i f i e r s a p p l i c a t i o n s 。d a v o s 。s a a 4 ，p p 1 9 7 - 1 9 9 ，1 9 9 5 【2 5 】y 2 1 a a oa n ds d j a c k s o n , p a s s i v e l yq s w i t c h e df i b e rl a s e rt h a tu ss a t u r a b l er a m a ng a i n o p t l e t t v 0 1 3 1 ，p p 7 5 l - 7 5 3 ，2 0 0 6 【2 6 】r p a s c h o t t a ， c o m m e n to i l p a s s i v e l yq - s w i t c h e df i b e r l a s e rt h a tu s 部s a t u r a b l er a m a n v a i n ”：0 ”l e t t v 0 1 3 1 ，p p 2 7 3 7 - 2 7 3 8 2 0 0 6 8 山东大学硕士学位论文 2 1 拉曼散射 第二章光纤拉曼激光器 2 1 1 自发拉曼散射 j c o s 魄 i 盘 魄 ，k ( a ) ( b ) 图2 i 拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光的产生 任何物质都是由分子、原子等基本单元组成。常温下，这些基本单元不断地 作自发热运动和振动，当一束频率为劬的光波通过液态、气态或固态介质后，其 散射光谱中存在着相对入射光有一定频移的成分略，频移量吃一纯= c o x 相应于 介质内部某些确定的能级跃迁的频率，例如晶体中光学声子的频率，这种散射就 是普通的自发拉曼散射。自发拉曼散射的效率是很低的，相应于每个入射光子的 散射光子为l o 气1 0 - 7 量级。当魄) o , s 时，这种散射叫做斯托克斯散射，当o , l c o s 时，叫做反斯托克斯散射，其强度比斯托克斯散射小几个数量级这两种散射的 能级图如图2 1 所示其中图( a ) 表示分子原来处在基态上，一个频率为劬的入射 光子被分子吸收，同时发射一个频率为吃一略= 的斯托克斯光子，而分子被激 发到振动能级上；图( b ) 表示原来分子处在激发态上，散射的反斯托克斯光的频率 为o j x a = 魄+ m x 在热平衡条件下，拉曼介质激发态与基态粒子数分布符合玻尔 兹曼分布定律，处在激发态能级的粒子数非常少，因此，实际上反斯托克斯线比 斯托克斯线要弱得多，获得反斯托克斯光输出的要求要更苛刻。 9 山东大学硕士学位论文 从经典观点看，拉曼散射起因于分子振动引起的线性极化率的周期性变化。例 如，假设q 为分子振动的简正坐标，是分子的振动频率，则线性极化率z 为 z = ，+ 娑鼋0 s i n f ( 2 1 ) u q 因而分子系统在受到外加光电场e os i n c a d 作用后，所产生的极化强度为 p = e o x e = 岛岛( + 挈q 0s i n f ) s i n 吼f ( 2 - 2 ) 叫 可见，在这个极化强度中有频率为魄士的频率成分出现，这相应于所产生 的斯托克斯散射和反斯托克斯散射。 对于普通的拉曼散射光来说，他们都是非相干辐射。当用强激光照射某些介质 时，在一定的条件下，散射光具有受激的性质，是相干辐射，这就是所谓的受激 拉曼散射。 2 1 2 受激拉曼散射 与普通拉曼散射相比较，受激拉曼散射具有以下一些特点： 1 ) 明显的阈值性。只有当入射激光束的光强或功率超过一定的激励阈值时， 才能产生受激拉曼散射效应。 2 ) 受激散射光具有明显的定向性。当入射激光超过一定的激励阈值后，散射 光束的空间发散角明显变小，一般可达到与入射光相近的发散角。 3 ) 受激拉曼散射光谱的高单色性当超过一定的激励阈值后，散射光谱的宽 度明显变窄，可达到与入射散射光单色性相当或更窄的宽度。 4 ) 受激拉曼散射光的高强度性。受激拉曼散射光强或功率可以达到与入射光 相比拟的程度。其转换效率可达到6 0 一7 0 ，理论上，效率趋于1 也是可能的。 5 ) 受激拉曼散射光随时间的变化特性与入射激光类似。有时候，受激拉曼散 射光脉冲的持续时间可远短于入射激光脉冲。 关于受激拉曼散射的机理可简单地理解如下：在受激拉曼散射中，相干的入 射光子主要不是被热振动声子所散射，而是被受激声子散射。所谓受激声子，是 指最初一个入射光子与一个热振动声子相碰，结果产生一个斯托克斯光子，并增 添一个受激声子，当入射光子再与这个增添的受激声子相碰时，在再产生一个斯 1 0 山东大学硕士学位论文 托克斯光子的同时，又增添一个受激声子。如此继续下去，便形成一个产生受激 声子的雪崩过程，如图2 2 所示。产生受激声子过程的关键在于要有足够多的入 射光子。由于受激声子所形成的声波是相干的，入射激光是相干的，所以所产生 的斯托克斯光也是相干的。 纱弧 - - = j4 令 - - - - - - + 痧秒4 图2 2 受激声子产生的雪崩过程示意 2 1 3 拉曼激光器的理论研究 基于受激拉曼散射的激光器被称为拉曼激光器，通常，拉曼激光器可以输出 高质量的激光，它们一般都具有窄的线宽，小的发散角，高相干性。对于拉曼激 光器的理论研究早在上世纪六十年代便开始出现，他们从经典，半经典、量子理 论出发，对拉曼转换进行了卓有成效的研究。对于光强为，l ( w m 2 ) 的泵浦光通过 拉曼介质时，拉曼光子产生速率定义为： 鲁= f k 蚓a q ) 2 羔i l 嚣勺x l + n s + n v 一魄+ 嘞) ( 2 3 ) m 为斯托克斯光子数，n = n o v 是拉曼激活分子数，纯和胁分别为泵浦光和 拉曼光的折射率，岛，e 。分别为泵浦光和拉曼光的单位矢量，小为振荡分子减少的 质量，c 为光速，m 是声子数警对分子极化张量求导，它的平方正比于z 的 叼 虚部，公式对所有的斯托克斯振动模求和。从公式中可以看出。总共有三个过程 参与了拉曼光的转换，一、自发拉曼散射( 1 项) ；二、受激拉曼散射( m 项) ；三、 斯托克斯波与物质激励之间的参量耦合( m 项) 当孙，l v 都远小于l 时，平行于入射泵浦光( 气白= 1 ) 的自发拉曼散射占 一 ， 二瓦一 笺 山东大学硕士学位论文 主导地位，拉曼光功率为： b 瑚魄等 ( 2 4 ) 散射到立体角q 空间的总功率可以表达为： b = w ( 鼍) ，。战 c z 脚 其中 嘉= 爱去2 m ( 韵2 c a q c 4 “，国pla 口j 自发拉曼散射功率正比于入射的泵浦功率，几乎时各向同性的，并且它的强 度非常低。泵浦光相对于分子极化的偏振方向影响着散射截面根据拉曼跃迁的 几何对称性和它相对于泵浦偏振的方位，散射光可以偏振的，也可以时无偏振的。 偏振度夕定义为夕= p 工伊，即为偏振方匈垂直于入射光和平行于入射光的散射光 能量比值。其相对应的散射截面如下； ，= 剖 协7 ， ( 纂) ，= ( 粥) 协s ， 当远大于1 、m 远大于m 时，受激拉慢散射对于公式( 2 - 3 ) 中的拉曼光子 数变化起主要作用，假定斯托克斯光与入射泵浦光振动方向相同( 也就是 e 。= 1 ) 。因为介质振动模驰豫非常迅速( 在晶体中通常为亚纳秒量级) 所以我 们假定瑰远大于粕。 当泵浦光和斯托克斯光