拉曼光纖激光器的應(yīng)用與發(fā)展

1、論文拉曼光纖激光器的應(yīng)用與發(fā)展班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：目錄一 引言4二 光纖的基礎(chǔ)理論42.1光纖基本概念：42.2 光纖組成結(jié)構(gòu)42.3光纖器件的分類(lèi)52.4 光纖材料組成及分類(lèi)以及性能52.5纖傳輸系統(tǒng)的組成及光纖的傳輸過(guò)程52.6 光纖傳輸原理及分類(lèi)62.7光纖的制備方法與工藝流程7三 拉曼光纖激光器簡(jiǎn)介83.1 拉曼光纖激光器的概念和組成83.2 拉曼光纖激光器分類(lèi)103.3拉曼光纖激光器工作原理10五 拉曼光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用14六 小結(jié)15七 參考文獻(xiàn):16拉曼光纖激光器的應(yīng)用與發(fā)展 杜春雪 摘要：近年來(lái), 光纖激光器作為目前最為活躍的激光光源器件，它是激光技術(shù)的前沿課題。本文討論了光

2、纖激光器的基本概念，組成結(jié)構(gòu)，器件的分類(lèi)，以及其光纖材料組成及其性能，光纖傳輸系統(tǒng)組成及光纖的傳輸過(guò)程。 拉曼光纖激光器的概念，組成及其分類(lèi)，拉曼光纖激光器工作原理，重點(diǎn)討論拉曼光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用，以及發(fā)表個(gè)人一些觀點(diǎn)。關(guān)鍵字：光纖；拉曼激光器；自發(fā)拉曼散射；受激拉曼效應(yīng)；一 引言近年來(lái)，隨著社會(huì)信息傳輸量的急劇增加，人們對(duì)拉曼光纖放大器的研究越來(lái)越重視，因?yàn)樗煞糯髶姐s光纖放大器所不能放大的波段。由于拉曼光纖放大器基于受激拉曼散射效應(yīng)，一般具有較高的泵浦閾值，需要較大功率的泵浦源。目前較為適用的泵浦方法有兩種¨：采用多個(gè)半導(dǎo)體耦合復(fù)用和利用級(jí)聯(lián)拉曼光纖激光器作為泵浦源。與前者相

3、比，后者具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。以1060nm激光作為泵浦源，級(jí)聯(lián)拉曼激光器可以在光通信所需的131 m和155 m甚至任意波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)激光輸出。因此，級(jí)聯(lián)拉曼激光器引起了各國(guó)研究者的極大興趣，在最近幾年內(nèi)取得了很大的進(jìn)展 。目前國(guó)內(nèi)對(duì)拉曼光纖激光器的研究并不多，見(jiàn)諸報(bào)端的只有南開(kāi)大學(xué)一家 J。主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)輸出所需的光纖布拉格光柵其工作波長(zhǎng)比較特殊而難于加工，國(guó)內(nèi)目前還未有相應(yīng)的光柵產(chǎn)品，文獻(xiàn)5中所用的光柵也是進(jìn)口的。本文采用國(guó)產(chǎn)鍍膜鏡來(lái)作為諧振腔鏡，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)拉曼激光輸出，驗(yàn)證了其可行性。二 光纖的基礎(chǔ)理論2.1光纖基本概念：光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種利用光在玻璃或塑料

4、制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和George A. Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖。2.2 光纖組成結(jié)構(gòu)光纖裸纖一般分為三層： 中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為50或62.5m)，中 間為低折射率硅玻璃包層(直徑一般為125m)，最外是加強(qiáng)用的樹(shù)脂涂層。 - 光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖

5、維的簡(jiǎn)稱(chēng)。其典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體自?xún)?nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。 - 核心部分是纖芯和包層，其中纖芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要傳輸通道,包層的折射率略小于纖芯，使光的傳輸性能相對(duì)穩(wěn)定。纖芯粗細(xì)、纖芯材料和包層材料的折射率，對(duì)光纖的特性起決定性影響。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕相機(jī)械的擦傷， 同時(shí)又增加光纖的柔韌性,起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。2.3光纖器件的分類(lèi)（5）制造方法：預(yù)塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學(xué)汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。2.4 光纖材料組成及分類(lèi)以及性能按光纖的組成材料可分為：石英玻璃光纖

6、（主要材料為SiO2）、復(fù)合光纖（主要材料為SiO2、Na2O和CaO等氧化物）、硅酸鹽光纖、氟化物光纖、塑包光纖、全塑光纖、液芯光纖、測(cè)光光纖、尾光光纖、工業(yè)光纖等。 2.5纖傳輸系統(tǒng)的組成及光纖的傳輸過(guò)程 1）光纖制造方法主要有：管內(nèi)CVD（化學(xué)汽相沉積）法，棒內(nèi)CVD法，PCVD（等離子體化學(xué)汽相沉積）法和VAD（軸向汽相沉積）法。2 拉曼光纖激光器簡(jiǎn)介3.1 拉曼光纖激光器的概念和組成拉曼光放大技術(shù)為長(zhǎng)距離傳輸提供了一種新的獲取功率預(yù)算的手段，成為關(guān)注焦點(diǎn)。對(duì)于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦激光器通過(guò)偏振復(fù)用獲得拉曼泵源.方法二是采用拉曼光纖激光器(RFL)來(lái)產(chǎn)生特定

7、波長(zhǎng)的大功率激光，目前該技術(shù)已得到相當(dāng)程度的發(fā)展并形成了商用產(chǎn)品(如美國(guó)IPG、法國(guó)Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模塊).隨著光纖耦合技術(shù)的成熟，利用光纖作為增益介質(zhì)的拉曼光纖激光器得到了迅速的發(fā)展，通過(guò)在光纖兩端寫(xiě)入具有適當(dāng)反射率的光纖Bragg光柵，組成諧振腔對(duì)光纖內(nèi)的斯托科斯光進(jìn)行反饋，形成激光震蕩就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的激光。 采用光柵對(duì)組成諧振腔，同時(shí)利用比較長(zhǎng)的高非線性光纖作為增益介質(zhì)，其輸出波長(zhǎng)取決于泵浦源波長(zhǎng)和增益介質(zhì)的拉曼頻移，典型的拉曼光纖激光器采用雙包層摻Y(jié)b作為泵浦源，長(zhǎng)距的拉曼增強(qiáng)光纖作為增益介質(zhì)，五對(duì)光纖光柵組成諧振腔。只要提供足夠高的泵浦購(gòu)驢，通過(guò)逐級(jí)的拉曼頻

8、移，最終會(huì)得到1455nm的光源輸出，可以使用可協(xié)調(diào)反射率的輸出外，也可以構(gòu)建多波長(zhǎng)高頻率拉曼光纖激光器，并應(yīng)用與C+L波段的拉曼放大器中。3.2 拉曼光纖激光器分類(lèi)（1）線形腔拉曼光纖激光器 若從線形腔拉曼光纖激光器的輸出波長(zhǎng)來(lái)劃分，可以分為單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器兩大類(lèi)。不同線形拉曼光纖激光器的結(jié)構(gòu)基本相似，都采用布拉格光柵作為其諧振腔的反射鏡。（2）環(huán)行腔拉曼光纖激光器環(huán)行腔結(jié)構(gòu)在激光技術(shù)中具有重要的地位和作用，也是構(gòu)建拉曼光纖激光器的另一種重要方式。OFC2001中的一篇論文報(bào)道了一種雙波長(zhǎng)的環(huán)行拉曼光纖激光器(2lRFL)9 3.3拉曼光纖激光器工作原理3.3.1 自發(fā)拉曼散射拉

9、曼散射源于光子和介質(zhì)分子的非彈性碰撞過(guò)程，當(dāng)入射光子和分子發(fā)生碰撞時(shí)，可以是彈性碰撞，也可以是非彈性碰撞，在非彈性碰撞過(guò)程中，光子和分子之間有能量交換，光子能夠轉(zhuǎn)移一部分能量給分子或者從分子中吸收一部分能量，其量子描述為：入射光束的一個(gè)光子被一個(gè)介質(zhì)分散射成為另一個(gè)不同頻率的光子，同時(shí)完成分子振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。3.3.2 受激拉曼散射當(dāng)入射光是一束能量足夠強(qiáng)的激光時(shí)，生成的斯托克斯光的強(qiáng)度逐漸成比例的增長(zhǎng)，當(dāng)明顯的受刺激特性，這種現(xiàn)象就是受激拉曼散射（SRS），他是介質(zhì)在強(qiáng)光場(chǎng)作用下的一種非線性效應(yīng)。受激拉曼過(guò)程可描述如下：早受激拉曼散射中，入射光子主要是被受激聲子散射，所謂受激聲子是指最初的

10、一個(gè)入射光子與熱振動(dòng)聲子碰撞，產(chǎn)生了一個(gè)斯托克斯光子和一個(gè)受激光聲子，光聲子再與入射光子碰撞，是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。受激拉曼散射的本質(zhì)就是入射光和斯托斯克斯光之間的相互耦合引起的能量轉(zhuǎn)移。3.3.3 光纖中的受激拉曼散射在低損耗光纖中由于高強(qiáng)度的激光場(chǎng)與介質(zhì)的相互作用限制在非常小的纖心內(nèi)，使功率密度非常大，作用維持距離長(zhǎng)，能量耦合非常充分，盡管受激拉曼散射的閾值比較高，仍然可以在光纖觀察受到及拉曼產(chǎn)生，并且與其介質(zhì)相比具有相對(duì)較低的閾值和更高的增益。拉曼增益系數(shù)表達(dá)式應(yīng)為：依照表達(dá)式，可以計(jì)算出光纖的拉曼增益系數(shù)：由非線性光學(xué)原理可知，拉曼增益系數(shù)圖譜能夠拉曼響應(yīng)函數(shù)求傅氏變換得到，其中一個(gè)廣

11、為使用的近似響應(yīng)函數(shù)可以表示為：四 拉曼光纖激光器的特點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)單模石英光纖作為拉曼增益介質(zhì)，國(guó)產(chǎn)鍍膜鏡作為諧振腔鏡，在1064nm光纖激光器的泵浦作用下，在波長(zhǎng)1123nm獲得了一級(jí)拉曼激光輸出。本文對(duì)光纖拉曼激光器進(jìn)行理論分析，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要研究和結(jié)果如下：(1)分析并且實(shí)現(xiàn)了自制1342nm波長(zhǎng)，單模尾纖輸出的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，并進(jìn)行了優(yōu)化，以作為RFL的起始波長(zhǎng)使用；(2)對(duì)REL的理論模型進(jìn)行了較全面的理論分析，在數(shù)學(xué)模型上，采用四階龍格-塔庫(kù)法進(jìn)行了理論計(jì)算。(3)對(duì)RFL的各種優(yōu)化方式，包括選擇優(yōu)化的反射率和采用泵浦光反向泵浦，進(jìn)行了理論的討論和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。(4)與其它激

12、光器相比,拉曼光纖激光器的光譜性純，調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的畸變較小，而且用于光纖通信中時(shí)與光耦合損失?。?）拉曼光纖激光器具有波導(dǎo)式的結(jié)構(gòu)，所以基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，可制作出高精度，低損耗的光纖。（6）具有最佳的模式質(zhì)量，不隨時(shí)間和周?chē)鷾囟鹊淖兓|(zhì)量降低，能夠批量生產(chǎn)，價(jià)格上也較為合理。（7）拉曼光纖激光器適合很多領(lǐng)域的應(yīng)用，如：工業(yè)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，體積小，性能可靠，而且在聚集為小光斑時(shí)，傳輸很高的功率密度和亮度。五 拉曼光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用光纖激光器是在EDFA技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。早在1961年，美國(guó)光學(xué)公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作，但由于相關(guān)條件

13、的限制，其實(shí)驗(yàn)進(jìn)展相對(duì)緩慢。而80年代英國(guó)Southhampton大學(xué)的S.B.Poole等用MCVD法制成了低損耗的摻鉺光纖，從而為光纖激光器帶來(lái)了新的前景。近期，隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，超快速光電子學(xué)、非線性光學(xué)、光傳感等各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究已得到日益重視。其中，以光纖作基質(zhì)的拉曼光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長(zhǎng)范圍、波長(zhǎng)可調(diào)諧性能等方面，已明顯取得進(jìn)步，是目前光通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支持更高的傳輸速度，是未來(lái)高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和未來(lái)相干光通信的基礎(chǔ)。目前拉曼光纖激光器技術(shù)是研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。 隨著光通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，拉曼光纖激光器

14、技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進(jìn)；技術(shù)的進(jìn)步，特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術(shù)等為基礎(chǔ)的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為拉曼光纖激光器的設(shè)計(jì)提供新的對(duì)策和思路。盡管目前多數(shù)類(lèi)型的拉曼光纖激光器仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，但已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中充分顯示其優(yōu)越性。必將在未來(lái)光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。在未來(lái)幾年中，激光市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)整體將以每年近10%的速度增長(zhǎng)。隨著半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生技術(shù)和光纖制造工藝的進(jìn)步，以光纖作為增益介質(zhì)的拉曼光纖激光器，在降低閾值，波長(zhǎng)可協(xié)調(diào)性以及溫度控制方面，以取得明顯進(jìn)步。作為目前光纖通信領(lǐng)域的新型技術(shù)，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的各種光纖通信系

15、統(tǒng)，支持更高的傳輸速度，特別是作為大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)穩(wěn)定的泵浦源與信號(hào)源，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。我相信隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，我們會(huì)在拉曼光纖激光器上取得更大的進(jìn)步，會(huì)有更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。堅(jiān)信它的前景是客觀的。六 小結(jié) 在目前，國(guó)外已有較成熟的產(chǎn)品,是拉曼光纖激光器因其具有優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)量，高功率和穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究熱點(diǎn)，收到了廣泛關(guān)注。隨著半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生技術(shù)和光纖制造工藝的進(jìn)步，以光纖作為增益介質(zhì)的拉曼光纖激光器，在降低閾值，波長(zhǎng)可協(xié)調(diào)性以及溫度控制方面，以取得明顯進(jìn)步。作為目前光纖通信領(lǐng)域的新型技術(shù)，在Internet和其他新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷對(duì)通信容量和系統(tǒng)擴(kuò)展提出苛

16、刻要求的今天，它可以應(yīng)用于現(xiàn)有的各種光纖通信系統(tǒng)，支持更高的傳輸速度，特別是作為大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)穩(wěn)定的泵浦源與信號(hào)源，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。 當(dāng)務(wù)之急，一方面著力開(kāi)展光纖激光器的應(yīng)用，尋找最適用的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)；一方面著手加快國(guó)內(nèi)光纖激光器的研發(fā)，已有研發(fā)基礎(chǔ)的單位應(yīng)加快與企業(yè)合作，根據(jù)市場(chǎng)需要推出國(guó)內(nèi)首批產(chǎn)品。關(guān)于光纖激光器的研發(fā)，應(yīng)從應(yīng)用過(guò)程中加深對(duì)器件的了解和認(rèn)識(shí)，根據(jù)使用反饋，不斷改進(jìn)和完善器件的結(jié)構(gòu)和性能。在發(fā)展拉曼光纖激光器產(chǎn)品的過(guò)程中可能推動(dòng)高功率半導(dǎo)體二極管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為促進(jìn)拉曼光纖激光器的進(jìn)一步發(fā)展，有必要深入研究新型光纖材料和新型的器件結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足應(yīng)用不斷提出的新要求。它已經(jīng)引起激光科技人員和企業(yè)工程技術(shù)人員的極大關(guān)注，展現(xiàn)出了一個(gè)美好的應(yīng)用前景。它有非常廣闊的潛在市場(chǎng)，正在形成一個(gè)新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 劉艷格、馮新煥、董孝義； 室溫穩(wěn)定多波長(zhǎng)光纖激光器技術(shù)的研究新進(jìn)展 南開(kāi)大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)研究所光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 香港理工大學(xué)電機(jī)工程系光子 研究中心 2007年7月Jianping Yao, Jianliang Yang, Yunqi Liu, Continuous true-time de