專利名稱：基于濾波器光纖的級聯(lián)拉曼光纖激光器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光纖裝置和方法，并且更具體地涉及基于濾波器光纖的改進(jìn)的級聯(lián)拉曼光纖激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
級聯(lián)拉曼光纖激光器(cascaded Raman fiber laser，CRFL)是用于產(chǎn)生在無法獲得稀土離子增益的波長下的激光輸出的有用裝置。CRFL提供從開始波長向選定的目標(biāo)波長的逐步轉(zhuǎn)換。該逐步轉(zhuǎn)換是通過在適當(dāng)?shù)睦鲆娼橘|(zhì)中一個或多個拉曼級的級聯(lián)激光發(fā)射產(chǎn)生的。例如通過對應(yīng)的一系列嵌套的串聯(lián)(in-line)反射光柵對在增益介質(zhì)中產(chǎn)生一系列嵌套的拉曼腔體。通過前面的腔體中的拉曼散射引入的相應(yīng)的拉曼斯托克斯頻移將該系列中的每個連續(xù)的腔體的波長與前面的腔體分離。典型地使用高功率連續(xù)波(CW)激光器(如包層泵浦的摻％光纖激光器)來泵浦CRFL。圖1是當(dāng)前的CRFL系統(tǒng)配置20的圖，在該系統(tǒng)中展示了在1480nm下41W功率的系統(tǒng)輸出。單模1480nm的系統(tǒng)輸出70適于用作用于摻鉺光纖激光器(EDFL)或摻鉺光纖放大器(EDFA)的纖芯泵浦的高功率泵浦。如圖1中所示，系統(tǒng)20包括兩個級整體摻％ 光纖激光器40和級聯(lián)拉曼諧振器(CRR) 60。在激光器40中，由在IOOOnm至1200nm的區(qū)域內(nèi)工作的一段雙包層摻Y(jié)b光纖42 提供激活增益介質(zhì)。在光纖42的輸入端44提供高反射光柵HR1，并且在光纖42的輸出端 46提供輸出耦合光柵0C1。高反射器件HR1、輸出耦合器OCl和光纖42起到激光器腔體48 的作用。由利用錐形光纖束(tapered fiber bundle) TFBl耦合到光纖42的多個泵浦50 (例如多模915nm或975nm 二極管激光器)向光纖42提供泵浦功率。在本示例中，激光器輸出 52是波長在1117nm的單模輻射。激光器輸出52被用于將泵浦功率輸入到級聯(lián)拉曼諧振器60中。諧振器60包括具有小的有效面積和正常色散的拉曼激活光纖62。正常色散防止調(diào)制不穩(wěn)定性，調(diào)制不穩(wěn)定性會導(dǎo)致在高功率時產(chǎn)生超連續(xù)譜。小的有效面積導(dǎo)致高拉曼增益，并且因此可以產(chǎn)生多個斯托克斯級。在拉曼光纖的輸入端64提供第一多個高反射光柵HR2-HR6，并且在拉曼光纖的輸出端66提供第二多個高反射光柵HR7-HR11和輸出耦合器0C2。附加的泵浦反射器件重復(fù)利用未使用的％輻射以增加效率。輸入光柵HR2-HR6、輸出光柵HR7-HR11和0C2以及拉曼光纖64提供一系列嵌套的拉曼腔體68。每個嵌套的拉曼腔體的相應(yīng)波長被配置成在寬范圍上產(chǎn)生一系列級聯(lián)的斯托克斯頻移，以通過一系列步驟將波長為1117nm的激光器輸出增加到1480nm的目標(biāo)波長。輸出耦合器0C2提供1480nm的目標(biāo)波長的系統(tǒng)輸出70，該系統(tǒng)輸出可隨后被用于以基模泵浦EDFA或EDFL。現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)20受到多個已知的缺點和局限的影響。首先，在1480nm將輸出功率增加到41W時，發(fā)現(xiàn)必須限制諧振器60中拉曼光纖62 的長度，以避免對位于1590nm的下一斯托克斯級的不希望的拉曼散射。此外，位于系統(tǒng)20中的不同波長和位置處的多個反射器件結(jié)合以產(chǎn)生耦合的腔體。將會看到，在1117nm的激光波長下有三個反射器件，即光柵HR1、0C1和HR7。通常這不會對在相對低功率工作的系統(tǒng)(例如，在1480nm下輸出5W)造成問題。然而，近來，關(guān)于拉曼光纖激光器的功率調(diào)整(scaling)進(jìn)行了研究。從CRR展示出上面提到的高達(dá)41W的功率水平。盡管從這種系統(tǒng)展示出高功率，但是圖1中的裝置的耦合腔體的特性對長期可靠工作具有嚴(yán)重影響。特別地，耦合腔體能夠使該系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生相當(dāng)高峰值功率的脈沖，從而損壞部件。特別發(fā)現(xiàn)激光器的高反射器件HRl是該系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，推測起來，這是由于通過它傳播的高功率造成的，并且還觀察到在包括例如使用系統(tǒng)20泵浦摻鉺光纖激光器或放大器的各種條件下激光器的高反射器件HRl失效。另外，在拉曼激光器中產(chǎn)生的中間斯托克斯級的光可能傳播回％放大器中并回到泵浦二極管，造成它們失效。此外，在第一斯托克斯頻移下的光仍在％的增益帶寬內(nèi)，并且在到達(dá)二極管之前被放大。這顯然也是有害的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面涉及包括濾波器光纖的光放大系統(tǒng)，在該濾波器光纖中具有腔體，該腔體將離子增益和非線性增益同時用于高功率級聯(lián)拉曼激光發(fā)射。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性光放大系統(tǒng)包括具有折射率分布的一段激光激活濾波器光纖，該激光激活濾波器光纖抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級， 并且在它的工作波長上具有正常色散。提供一系列嵌套的拉曼腔體，該系列拉曼腔體通過相應(yīng)的斯托克斯頻移在波長上分開。該系列中的第一拉曼腔體是結(jié)合腔體，該結(jié)合腔體向在選定的輸入波長下的光輸入提供離子增益，并且當(dāng)光輸入具有超過拉曼散射閾值的能量時向輸入波長的第一斯托克斯頻移下的光輸入提供拉曼增益。該系列嵌套拉曼腔體中的每個連續(xù)的拉曼腔體在每個連續(xù)的斯托克斯頻移下提供拉曼增益。從而該系列拉曼腔體提供輸入波長和目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換。適當(dāng)?shù)谋闷止β试磳⒈闷止β瘦斎氲皆摓V波器光纖中。為了減小工作閾值并改進(jìn)裝置效率和操作，被配置為提供離子增益的第一腔體嵌套在后續(xù)的腔體內(nèi)，后續(xù)的腔體在第一和更高斯托克斯頻移下提供拉曼增益。利用這種結(jié)構(gòu)，在第一增益波長下的光不受到來自用于形成其它腔體的元件損耗的影響。在根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步描述的系統(tǒng)中，結(jié)合主振蕩器功率放大器配置使用單腔體諧振器設(shè)計。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光器泵浦的級聯(lián)拉曼諧振器系統(tǒng)的圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明第一方面的示例性級聯(lián)拉曼諧振器系統(tǒng)的圖。
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圖3是示出圖2中所示的級聯(lián)拉曼諧振器的示例性波長和斯托克斯頻移的表格。圖4和圖5是分別示出針對從IOOOnm到1480nm的級聯(lián)拉曼散射設(shè)計的濾波器光纖的測得的損耗和測得的與計算的色散的一對曲線圖。圖6A和圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明另一方面的級聯(lián)拉曼諧振器的示例性主振蕩器功率放大器配置的圖。圖7和圖8A-B是示出根據(jù)所描述的本發(fā)明各方面的總體技術(shù)的一對流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的各方面涉及例如以20W以上的高功率泵浦級聯(lián)拉曼諧振器(CRR)的系統(tǒng)和技術(shù)。如上面討論的，較早的設(shè)計受到由嵌套的耦合腔體引起的不穩(wěn)定性的影響。一個可能的解決方案是使用主振蕩器功率放大器(master oscillator power amplifier, ΜΟΡΑ)配置，在該配置中整體高功率％光纖激光器的部件被分成低功率振蕩器加上高功率放大器。MOPA配置允許使用適當(dāng)?shù)姆聪騻鞑シ乐寡b置(如光纖耦合隔離器或波分復(fù)用器(WDM))將振蕩器與放大器和級聯(lián)拉曼諧振器有效隔離，從而得到能夠以20W的連續(xù)波 (continuous wave, CW)功率可靠工作的系統(tǒng)。在2009年5月11日提交的61/177058號美國臨時專利申請中描述了該方法，該臨時申請由本申請的受讓人擁有，并且其全部內(nèi)容通過引用包含在本文中。然而，MOPA方法的一個潛在缺點是部件數(shù)增加。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由使用嵌套的耦合腔體引起的上述問題是通過使用由基于特別設(shè)計的摻％濾波器光纖的單腔體激光器提供級聯(lián)拉曼放大的系統(tǒng)配置而被有效消除的。在當(dāng)前描述的“合而為一(all-in-one)”的單腔設(shè)計中，級聯(lián)拉曼諧振器和泵浦功率源被合并為單個結(jié)構(gòu)。在該方法中，由摻雜離子提供離子增益，同時通過拉曼散射在較長的波長下提供非線性增益。一系列串聯(lián)的輸入和輸出光柵對提供反饋，該系列光柵中的每個連續(xù)光柵對的相應(yīng)波長與先前的光柵對的波長分離近似于對應(yīng)的斯托克斯頻移的量。與其它方法相比較，本文中描述的“合而為一”腔體配置提供具有較少光纖和較低部件數(shù)的更簡單的裝置。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)100的圖。系統(tǒng)100包括一段適于向通過其傳播的光提供離子增益和拉曼增益的濾波器光纖102。在本示例中，濾波器光纖102是特別設(shè)計的摻％雙包層濾波器光纖，其具有抑制在比選定的目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級的W形折射率分布，并且在其工作帶寬上具有正常色散。在2009年5月11日提交的61/177058號美國臨時專利申請中描述了該光纖，該臨時申請由與本申請相同的受讓人擁有并且其全部內(nèi)容通過引用包含在本文中。如下所述，根據(jù)本發(fā)明一方面的系統(tǒng)包括通過相應(yīng)的斯托克斯頻移在波長上分離的一系列嵌套的拉曼腔體?？梢允褂昧磉x的結(jié)構(gòu)和波長選擇元件，例如使用熔合光纖耦合器或薄膜濾波器以構(gòu)造WDM環(huán)路鏡，來構(gòu)造拉曼諧振器，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的。另外，還可以考慮線性的單向環(huán)或雙向環(huán)腔體幾何結(jié)構(gòu)。此外，圖2還示出該級聯(lián)拉曼諧振器被配置作為激光器工作，但是還可以通過去除最后一組光柵并替代地注入該波長的信號而將其配置作為放大器工作。僅是為了說明的目的而將本討論集中在使用布拉格光柵反射器件構(gòu)造的諧振器。
出于本討論的目的，術(shù)語“反射器件”被用于一般地指代高反射器件或輸出耦合器或者類似的裝置，并且術(shù)語“多個反射器件”被用于一般地指代多個高反射器件或輸出耦合器或者類似的裝置，或者它們的任意組合。在濾波器光纖102的輸入端104提供第一多個高反射器件HR20-HR25，并且在濾波器光纖102的輸出端106提供第二多個高反射器件HI^6-HR30和輸出耦合器0C20。在本示例中，使用光纖布拉格光柵或類似裝置產(chǎn)生輸入高反射器件HR20-HR25、輸出高反射器件 HR26-HR30和輸出耦合器0C20，它們被寫入與濾波器光纖102分離的光纖段中，并且然后被熔接到濾波器光纖102。應(yīng)該指出，還可以將該光柵直接寫入濾波器光纖102中。系統(tǒng)100還包括泵浦功率源108，泵浦功率源108包括一個或多個二極管激光泵浦108a-d或者類似的裝置。泵浦108a-d通過泵浦組合器，即錐形光纖束TFB20或其它適當(dāng)裝置，耦合到濾波器光纖102。圖2示出反射器件HR20-HR30和0C20的示例性波長。然而，要指出的是，這些波長和腔體數(shù)目特定于所描述的系統(tǒng)100，并且它們是出于本討論的目的而提供的。應(yīng)該理解， 可以在具有其它波長的反射器件的系統(tǒng)中實現(xiàn)本發(fā)明。此外，還可以針對給定的應(yīng)用修改反射器件的數(shù)量和配置。還應(yīng)該理解，可以關(guān)于泵浦組合器TFB20修改輸入光柵HR20-HR25 的位置。在圖2中，輸入光柵HR20-HR25被示出在泵浦組合器TFB20的右側(cè)，TFB20在嵌套激光器腔體的外部。然而，輸入光柵HR20-HR25同樣也可以位于泵浦組合器TFB20的左側(cè)， 泵浦組合器TFB20在嵌套激光器腔體的內(nèi)部。在圖2中所示的示例性系統(tǒng)100中，反射器件HR10-HR20和0C20具有相應(yīng)的波長和位置，使得它們形成一系列嵌套的波長匹配的反射器件對，第一反射器件位于濾波器光纖輸入端104和第二反射器件位于濾波器光纖輸入端106。該嵌套系列中的第一反射器件對包括高反射器件HR25和皿沈，它們中的每一個具有1117nm的波長。該系列還有下列對 1175nm 的 HR24/HR27 ； 1239nm 的 HR23/HI^8 ；1310nm 的 HR22/HI^9 ； 1390nm 的 HR21/HR30 ； 以及1480nm的HR20/0C20。這些對以及濾波器光纖102提供由相應(yīng)的斯托克斯頻移在波長上分開的一系列嵌套的拉曼腔體110。圖3是示出圖2中所示的示例性系統(tǒng)100的反射器件波長的表格130。圖3中的表格130還示出有五個斯托克斯頻移發(fā)生。出于說明的目的，表格130中包括1590nm的第六斯托克斯頻移。然而，如下面討論的，該斯托克斯頻移(以及其后的更高級斯托克斯頻移)被濾波器光纖102抑制。1117nm的第一反射器件對HR25/HI^6和濾波器光纖102提供起到激光器腔體和拉曼腔體作用的組合腔體。由位于高反射器件HR25和皿沈之間的濾波器光纖102中的％ 提供離子增益。當(dāng)摻％增益介質(zhì)在1117nm產(chǎn)生的功率超過受激拉曼散射的閾值時，產(chǎn)生第一斯托克斯頻移的光，所述第一斯托克斯頻移在本示例中大約為1175nm。該嵌套系列中的下一個反射器件對HRM/HR27具有對應(yīng)于第一斯托克斯頻移的波長。在1175nm下來自該光柵對的反饋將導(dǎo)致在該波長下的激光發(fā)射。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一反射器件對位于下一個反射器件對內(nèi)，以使第一腔體中的損耗最小化。其余的反射器件對HR23/HI^8、HR22/HR29和HR21/HR30提供反饋，該系列中的每個光柵對的波長與該系列中的前一對的波長相差接近氧化硅光纖中相應(yīng)的斯托克斯頻移的量。當(dāng)功率增加時，繼續(xù)向更長波長進(jìn)一步級聯(lián)，直到在最后的光柵對HR20/0C20實現(xiàn)在目標(biāo)波長(即1480nm)下的激光發(fā)射。因此，所述系列的斯托克斯頻移提供從開始波長到目標(biāo)波長的逐步轉(zhuǎn)換。在目標(biāo)波長(即1480nm)下的光有可能經(jīng)歷進(jìn)一步的拉曼增益。為了防止進(jìn)一步級聯(lián)到不希望的更長波長的斯托克斯級，該摻％增益介質(zhì)具有基于W形凹陷包層設(shè)計的折射率分布，其中基本LPtll模式在比目標(biāo)波長更長的波長下截止。在2009年5月11日提交的61/177058號美國臨時專利申請中描述了這種濾波器光纖的設(shè)計，該臨時申請由本申請的受讓人擁有，并且其全部內(nèi)容通過引用包含在本文中。具有基模截止的W形折射率分布的光纖已經(jīng)被用在鉺S波段放大器應(yīng)用的情況中，并且還被用于抑制高功率的摻％光纖放大器中的拉曼散射。然而，這些光纖不適合于在高功率拉曼激光器的情況中使用，因為在這兩種情況中濾波器光纖在寬波長范圍上的色散特征都不是重要的考慮因素。如果在其中發(fā)生拉曼散射的光柵的色散是反常色散，那么調(diào)制不穩(wěn)定性將導(dǎo)致超連續(xù)譜產(chǎn)生，而不是向離散的拉曼斯托克斯級散射。因此，針對級聯(lián)拉曼散射設(shè)計的濾波器光纖必須在整個工作波長區(qū)域上具有正常色散。本討論使用以pS/(nm-km)為單位的色散參數(shù)D。負(fù)值的D表示正常色散，而正值的D表示反常色散。在反常色散情況下，會發(fā)生在正常色散情況中不存在的調(diào)制不穩(wěn)定和孤波形成等現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖在大約1300nm的波長下具有零色散，并且在比該零色散波長更長的波長下具有反常色散。圖4是示出針對從IOOOnm到1480nm的級聯(lián)拉曼散射，同時抑制在更長的波長下的斯托克斯頻移而設(shè)計的濾波器光纖的測得的損耗。圖5是示出針對該濾波器光纖計算出的色散151和測得的色散152的曲線圖150。在本文中描述的示例性系統(tǒng)中，提供基模截止的W形折射率分布與傳統(tǒng)的雙包層設(shè)計相結(jié)合以產(chǎn)生包層泵浦％光纖，該包層泵浦％光纖也將提供本文中所描述的級聯(lián)拉曼散射。在關(guān)于使用高功率％激光器來泵浦級聯(lián)拉曼諧振器的系統(tǒng)的一些試驗中，發(fā)現(xiàn) Yb激光高反射器件在該系統(tǒng)中是薄弱環(huán)節(jié)，這可能是由通過它傳播的高功率造成的。已經(jīng)觀察到這種系統(tǒng)在例如使用這些系統(tǒng)泵浦摻鉺光纖放大器等的各種情況下失效。因此，在有些情況下，使用MOPA配置可能是有益的，在MOPA配置中使用可以與功率放大器隔離的低功率振蕩器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，功率放大和級聯(lián)拉曼激光發(fā)射的功能在同一腔體內(nèi)發(fā)生。圖6A和圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明另一方面的示例性的基于MOPA的系統(tǒng)200的圖。 系統(tǒng)200包括在兩個不同功率范圍的兩級操作低功率振蕩器220(圖6A)和高功率單腔體功率放大器及級聯(lián)拉曼諧振器240 (圖6B)。振蕩器220以及組合的放大器和級聯(lián)拉曼諧振器240通過光學(xué)隔離器234(圖6A)和波分復(fù)用器236 (圖6A)相互隔離。振蕩器220 (圖6A)包括一段激光激活雙包層摻％光纖222或者能夠提供適當(dāng)?shù)脑鲆娼橘|(zhì)的其它光纖。高反射器件HR40和輸出耦合器0C40分別位于光纖222的輸入端2M 和輸出端226。高反射器件HR40、輸出耦合器0C40和光纖222提供激光器腔體228。泵浦 230，如二極管激光器或其它適當(dāng)?shù)谋闷止β试?，將泵浦功率輸入到光纖222中。泵浦230 通過錐形光纖束TFB40或類似裝置耦合到光纖222。在本示例中，振蕩器220在1117nm下提供大約15W的激光輸出232。在該相對低的功率水平，高反射器件HR40具有最小的可靠性問題。
振蕩器輸出232饋送通過光學(xué)隔離器234和波分復(fù)用器236，并且作為輸入進(jìn)入組合的功率放大器和級聯(lián)拉曼諧振器對0。組合的功率放大器和級聯(lián)拉曼諧振器240 (圖6B)由一段摻％雙包層濾波器光纖如上面關(guān)于圖2的系統(tǒng)100討論的濾波器光纖102)制成。如上面討論的，濾波器光纖
242適合于作為用于振蕩器輸出232的功率放大和用于拉曼激光發(fā)射的增益介質(zhì)。在光纖輸入M4提供第一多個高反射器件HR41-HR45，并且在光纖輸出對6提供第二多個高反射器件HR46-HR50和輸出耦合器0C41。輸入反射器件HR41-HR45、輸出反射器件HR46-HR50、輸出耦合器0C41和光纖242在其間限定選定波長的一系列嵌套激光器腔體M8。應(yīng)該理解， 輸入反射器件HR41-HR45同樣可以位于TFB41之前，使得TFB41在該嵌套諧振器內(nèi)。泵浦源250將泵浦功率輸入到濾波器光纖M2內(nèi)，用于振蕩器輸出230的功率放大。在圖6B中，泵浦源250被示出為多個泵浦裝置250a-d，如二極管激光器等。泵浦裝置 250通過錐形光纖束TFB41或其它適當(dāng)裝置耦合到濾波器光纖M2。泵浦源250通過摻雜的濾波器光纖242中的離子增益將振蕩器輸出232放大到允許在濾波器光纖242中發(fā)生拉曼散射的功率水平。如上面討論的，在該特定濾波器光纖 242中，第一斯托克斯頻移將傳播光的波長增加到1175nm。高反射器件HR46被提供用于將 1117nm的任何未被散射的光都反射回來。在所示出的配置200中，沒有1117nm的輸入高反射器件，以允許1117nm的輻射進(jìn)入拉曼腔體。高反射器件HR41-HR50和輸出耦合器0C41形成一系列嵌套的波長匹配對，該系列中的每對與前一對分開相應(yīng)的斯托克斯頻移。在該系列中的每對之間發(fā)生拉曼激光發(fā)射， 結(jié)果實現(xiàn)從振蕩器輸出波長(即1117nm)到目標(biāo)波長(即1489nm)的級聯(lián)逐步轉(zhuǎn)換。由高反射器件HR45和輸出耦合器0C41提供與輸出波長的耦合。濾波器光纖242提供比目標(biāo)波長更長的波長的基模截止，從而防止不希望的更高級斯托克斯頻移。隔離器234防止從放大器和諧振器240反向傳播的光到達(dá)諧振器220，并干擾其操作。隔離器234保護(hù)振蕩器220不受反向傳播的隔離器帶寬內(nèi)所有波長的光的影響，所述波長包括與振蕩器輸出232的波長類似的波長。依賴于波長的損耗元件，即WDM 236，防止反向傳播的斯托克斯輻射到達(dá)振蕩器220。在本發(fā)明的另一實踐方式中，一種光產(chǎn)生和放大系統(tǒng)包括有效摻雜的拉曼濾波器光纖，其中在偏離峰值離子增益波長多于兩個斯托克斯頻移的波長下?lián)p耗增加。今天的有效摻雜濾波器光纖一般試圖濾除偏離信號波長一個斯托克斯頻移的拉曼增益。根據(jù)本發(fā)明的該實踐方式，使用一種新的光纖，該光纖增加偏離信號多個斯托克斯頻移的分布損耗，即相比于前面已經(jīng)考慮的，增加信號和損耗之間極大的波長頻移。因此，不僅使用該光纖的腔體幾何結(jié)構(gòu)是新穎的，而且該光纖本身也是新穎的。圖7和圖8A-B是示出根據(jù)本發(fā)明的上述各方面的總體技術(shù)的一對流程圖300和 350。應(yīng)該理解，流程圖300和350意圖是說明性的，而不是限制性的。應(yīng)該特別指出的是， 所列出的方法的一些或全部要素可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)改變順序、相互結(jié)合或者與未列出的要素結(jié)合、或者被分成多個子要素。另外，不必執(zhí)行所有提到的要素。圖7的流程圖300中說明的技術(shù)包括以下要素框301 提供一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的激光激活濾波器光纖，該折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級。
框302 使用該激光激活光纖為在波長上分開大約相應(yīng)斯托克斯頻移的一系列嵌套拉曼腔體提供增益介質(zhì)，其中該系列嵌套腔體中的第一腔體是組合腔體，其被配置為提供從在選定的第一波長下的離子增益和反饋的組合產(chǎn)生的激光振蕩，并且當(dāng)所述第一波長下的光具有超過拉曼散射閾值的強度時向所述第一波長的第一斯托克斯頻移下的光提供拉曼增益，其中該系列嵌套拉曼腔體中的每個連續(xù)的拉曼腔體被配置為在每個連續(xù)的斯托克斯頻移下提供拉曼增益，從而該系列嵌套拉曼腔體提供在所述第一波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換。步驟303 提供泵浦功率源，該泵浦功率源用于提供輸入到所述濾波器光纖中的泵浦功率。圖8A-B的流程圖350中示出的技術(shù)包括以下要素框351 使用低功率振蕩器以產(chǎn)生激光輸出?？?52 將該振蕩器耦合到組合的放大器和諧振器，其中所述振蕩器的輸出被提供作為進(jìn)入所述組合的放大器和諧振器的輸入，并且其中所述組合的放大器和諧振器提供在目標(biāo)波長下的單模輸出，其中所述組合的放大器和諧振器包括一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的激光激活和拉曼激活濾波器光纖，該折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級，耦合到所述濾波器光纖的泵浦功率源，其用于提供輸入到所述濾波器光纖中的泵浦功率，從而所述振蕩器輸出被放大到超過所述濾波器光纖的拉曼散射閾值的水平，位于所述濾波器光纖的輸出端的所述振蕩波長的第一高反射器件，其用于將未被散射的所述振蕩波長下的光反射回來，一系列反射器件對，每對包括提供在所述濾波器光纖的輸入端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第一反射器件和提供在所述濾波器光纖的輸出端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第二反射器件，其中該系列中的每個反射器件對和所述濾波器光纖被配置為提供一系列嵌套拉曼腔體，該系列嵌套拉曼腔體提供所述振蕩波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換，以及最后反射器件對，其包括提供在所述濾波器光纖輸入端的高反射器件和寫入所述濾波器光纖輸出端的輸出耦合器，用以提供耦合出所述濾波器光纖的所述目標(biāo)波長的輸出ο框353 在所述振蕩器和放大器之間連接反向傳播預(yù)防裝置，從而所述振蕩器與所述放大器和諧振器光學(xué)隔離，并且所述振蕩器可在第一功率水平范圍內(nèi)工作，所述放大器和振蕩器可在超過所述第一功率水平范圍的第二功率水平范圍內(nèi)工作?？?54 使用所述濾波器光纖和所述泵浦功率源放大所述振蕩器輸出并且產(chǎn)生在所述目標(biāo)波長下的激光輸出。注意，所述拉曼增益帶寬是相當(dāng)大的，并且所述反射器件可以位于所述增益帶寬內(nèi)的任何位置，而不必在所述增益的峰值處。上述系統(tǒng)和技術(shù)可適用于許多其它情況，包括但不限于線性和環(huán)拉曼諧振器； 拉曼放大器結(jié)構(gòu)；包括第二泵浦的雙泵浦系統(tǒng)，第二泵浦不與任何一個拉曼腔體諧振，但是仍在所述拉曼增益帶寬內(nèi)；撞擊倍頻晶體，窄線寬的偏振輸出對該倍頻晶體是有益的；例如在參數(shù)系統(tǒng)中使用的脈動或調(diào)制的操作等等。對于拉曼放大器要指出的是，它們的結(jié)構(gòu)除了放大器拉曼腔體被構(gòu)造為沒有最后的斯托克斯頻移和輸出耦合器以外，典型地類似于拉曼激光器的結(jié)構(gòu)。此外，還在最后的斯托克斯頻移下將種子激光耦合到拉曼腔體中?？梢詫碜苑N子源的種子輸入在不同的位置注入到放大器中。該種子激光控制多個放大器性質(zhì)，例如偏振輸出、窄線寬、可調(diào)諧性等等。盡管以上描述包括使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的細(xì)節(jié)，但是應(yīng)該理解，本描述本質(zhì)上是說明性的，并且對于受益于這些教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對以上描述的許多修改及改變是顯而易見的。因此，希望本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求限定，并且如現(xiàn)有技術(shù)所允許的那樣寬泛地解釋權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種光產(chǎn)生和放大系統(tǒng)，包括一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的激光激活濾波器光纖，所述折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級，其中所述激光激活光纖為在波長上分開大約相應(yīng)的斯托克斯頻移的一系列嵌套拉曼腔體提供增益介質(zhì)，其中所述系列嵌套腔體中的第一腔體是組合腔體，其被配置為提供從在選定的第一波長下的離子增益和反饋的組合產(chǎn)生的激光振蕩，并且當(dāng)在所述第一波長下的光具有超過拉曼散射閾值的強度時向在所述第一波長的第一斯托克斯頻移下的光提供拉曼增益，其中所述系列嵌套拉曼腔體中的每個連續(xù)的拉曼腔體被配置為在每個連續(xù)的斯托克斯頻移下提供拉曼增益，從而所述系列嵌套拉曼腔體提供在所述第一波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換，并且其中位于所述濾波器光纖輸出端的輸出耦合器被配置為提供耦合出所述濾波器光纖的在所述目標(biāo)波長下的光的輸出；以及泵浦功率源，其用于提供輸入到所述濾波器光纖中的泵浦功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大系統(tǒng)，其中由拉曼輸入光柵組和拉曼輸出光柵組提供所述嵌套拉曼腔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大系統(tǒng)，其中所述濾波器光纖是在比所述目標(biāo)波長更長的波長下具有LPtll模式截止的雙包層光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光放大系統(tǒng)，其中所述濾波器光纖是摻％光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大系統(tǒng)，其中所述泵浦功率源包括多個激光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光放大系統(tǒng)，還包括用于將所述泵浦功率源耦合到所述濾波器光纖的錐形光纖束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大系統(tǒng)，其中所述激光激活濾波器光纖具有折射率分布，該折射率分布抑制在偏離峰值離子增益波長大于兩個斯托克斯頻移的波長下的不希望的斯托克斯級。
8.一種光放大系統(tǒng)，包括基于光纖的振蕩器，其用于提供在選定的振蕩波長下的振蕩器輸出； 耦合到所述振蕩器的組合的放大器和諧振器，其中所述振蕩器輸出被提供作為進(jìn)入所述組合的放大器和諧振器的輸入，并且其中所述組合的放大器和諧振器提供在目標(biāo)波長下的單模輸出，其中所述組合的放大器和諧振器包括一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的激光激活和拉曼激活濾波器光纖，所述折射率分布抑制在比所述目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級，耦合到所述濾波器光纖的泵浦功率源，其用于提供輸入到所述濾波器光纖中的泵浦功率，從而所述振蕩器輸出被放大到超過所述濾波器光纖的拉曼散射閾值的水平，位于所述濾波器光纖的輸出端的所述振蕩波長的第一高反射器件，其用于將未被散射的所述振蕩波長下的光反射回去，一系列反射器件對，每對包括提供在所述濾波器光纖的輸入端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第一反射器件和提供在所述濾波器光纖的輸出端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第二反射器件，其中所述系列中的每個反射器件對和所述濾波器光纖被配置成提供一系列嵌套拉曼腔體，該系列嵌套拉曼腔體提供在所述振蕩波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換，以及最后反射器件對，其包括提供在所述濾波器光纖輸入端的高反射器件和寫入所述濾波器光纖輸出端的輸出耦合器，用以提供耦合出所述濾波器光纖的所述目標(biāo)波長下的輸出；連接在所述振蕩器和所述組合的放大器和諧振器之間的依賴于波長的損耗元件，從而所述振蕩器與所述放大器和諧振器光學(xué)隔離，從而所述振蕩器可在第一功率水平范圍內(nèi)工作，并且所述放大器和振蕩器可在超過所述第一功率水平范圍的第二功率水平范圍內(nèi)工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大系統(tǒng)，其中所述振蕩器包括 一段具有輸入端和輸出端的激光激活雙包層光纖；提供在所述雙包層光纖的輸入端的高反射器件，和提供在所述雙包層光纖的輸出端的輸出耦合器，其中所述高反射器件、輸出耦合器和雙包層光纖提供激光器腔體；以及耦合到所述光纖的泵浦源，其用于提供進(jìn)入所述光纖的泵浦輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大系統(tǒng)，其中所述濾波器光纖是雙包層光纖，所述雙包層光纖在比所述目標(biāo)波長更長的波長下具有LPtll模式截止，并且在工作帶寬上具有正常色散。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光放大系統(tǒng)，其中所述濾波器光纖是摻％光纖。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大系統(tǒng)，其中所述泵浦功率源包括多個激光二極管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光放大系統(tǒng)，還包括用于將所述泵浦功率源耦合到所述濾波器光纖的錐形光纖束。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大系統(tǒng)，還包括連接在所述振蕩器和所述組合的放大器和諧振器之間的光學(xué)隔離器。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大系統(tǒng)，其中所述依賴于波長的損耗元件包括濾波器波分復(fù)用器。
16.一種光產(chǎn)生和放大方法，包括提供一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的激光激活濾波器光纖，所述折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級。使用所述激光激活光纖為在波長上分開大約相應(yīng)的斯托克斯頻移的一系列嵌套拉曼腔體提供增益介質(zhì)，其中所述系列嵌套腔體中的第一腔體是組合腔體，其被配置為提供從在選定的第一波長下的離子增益和反饋的組合產(chǎn)生的激光振蕩，并且當(dāng)所述第一波長下的光具有超過拉曼散射閾值的強度時向所述第一波長的第一斯托克斯頻移下的光提供拉曼增益，其中所述系列嵌套拉曼腔體中的每個連續(xù)的拉曼腔體被配置為在每個連續(xù)的斯托克斯頻移下提供拉曼增益，從而所述系列嵌套拉曼腔體提供在所述第一波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換，并且其中位于所述濾波器光纖輸出端的輸出耦合器被配置為提供耦合出所述濾波器光纖的所述目標(biāo)波長下的光的輸出；以及提供泵浦功率源，該泵浦功率源用于提供輸入到所述濾波器光纖中的泵浦功率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述系列嵌套拉曼腔體包括一組輸入光柵和一組輸出光柵。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述濾波器光纖是在比所述目標(biāo)波長更長的波長下具有LPtll模式截止的雙包層光纖。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述濾波器光纖是摻％光纖。
20.一種光放大方法，包括(a)使用低功率振蕩器來產(chǎn)生激光輸出；(b)提供一段具有折射率分布并且在工作帶寬上具有正常色散的拉曼激活濾波器光纖，該折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級，其中所述濾波器光纖是用于功率放大的適當(dāng)?shù)脑鲆娼橘|(zhì)，其中提供有一系列反射器件對，每對包括提供在所述濾波器光纖的輸入端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第一反射器件和提供在所述濾波器光纖的輸出端的相應(yīng)波長的相應(yīng)第二反射器件， 其中所述系列中的每個反射器件對和所述濾波器光纖提供相應(yīng)的拉曼腔體，該相應(yīng)的拉曼腔體用于提供在相應(yīng)波長下的拉曼增益，從而所述系列反射器件對和所述濾波器光纖提供在波長上分離相應(yīng)斯托克斯頻移的一系列嵌套拉曼腔體，其中所述系列嵌套腔體向通過其傳播的光提供級聯(lián)拉曼增益，從而產(chǎn)生從開始波長到所述目標(biāo)波長的逐步轉(zhuǎn)換；(c)將泵浦功率源耦合到所述濾波器光纖以提供進(jìn)入所述濾波器光纖的泵浦功率輸入；(d)將所述振蕩器與所述濾波器光纖和泵浦功率源隔離；以及(e)使用所述濾波器光纖和所述泵浦功率源來放大所述振蕩器輸出并產(chǎn)生選定的目標(biāo)波長的激光輸出。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述濾波器光纖是在比所述目標(biāo)波長更長的波長下具有LPtll模式截止的雙包層光纖。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述濾波器光纖是摻％光纖。
全文摘要
一種光產(chǎn)生和放大系統(tǒng)包括一段具有折射率分布并且在其工作波長上具有正常色散的激光激活濾波器光纖，該折射率分布抑制在比目標(biāo)波長更長的波長下的不希望的斯托克斯級。在所述光纖的輸入端和輸出端處提供一系列嵌套反射器件，并且該系列嵌套反射器件被配置為提供一系列嵌套拉曼腔體，該系列嵌套拉曼腔體在波長上分開大約相應(yīng)的斯托克斯頻移。該系列中的第一腔體是組合腔體，其提供由在選定的第一波長下的離子增益和反饋的組合導(dǎo)致的激光振蕩，并且當(dāng)在所述第一波長下的頻移具有超過拉曼散射閾值的能量時向所述第一波長的第一斯托克斯頻移下的光提供拉曼增益。拉曼腔體提供在所述第一波長和所述目標(biāo)波長之間的逐步轉(zhuǎn)換。
文檔編號H01S3/30GK102388512SQ201080010155
公開日2012年3月21日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者C·E·希德利, D·J·迪吉奧瓦尼, J·W·尼科爾森 申請人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司