掺镱拉曼光纤放大器解决了光纤激光器限制输出问题

拉曼光纤激光器已经能够达到很高的功率水平。然而在拉曼光纤中，波分复用（WDM）组件通常对泵浦和种子激光进行合束，从而使该组件成为实现更高功率的瓶颈。同样地，用于泵浦1178nm拉曼光纤放大器（倍频至589nm，用于自适应光学望远镜在上层大气中产生钠导星）的1120nm镱（Yb）光纤激光器，也深受放大自发辐射（ASE）和1060nm处寄生激光的影响，严重限制了1120nm光纤激光器的输出。

为了解决这些问题，并创建高功率1120nm光纤激光源，中国科学院上海光机所（SIOM）的研究人员已经开发出了一种集成的掺镱拉曼光纤放大器（YRFA）架构，解决了拉曼光纤激光器和/或长波长掺镱光纤激光器的功率提升问题。放大器采用一段掺镱光纤、其后跟随一段拉曼增益光纤的结构，两段光纤均采用双波长激光器作为种子源，以避免寄生激光和对波分复用组件的需求。

多波长种子源

YRFA包含一段4m长的掺镱增益光纤，以及用作拉曼转换器的一段20m长的掺锗（Ge）光纤，种子源为1120nm的掺镱光纤激光器，同时也包含1070nm的光。该双波长发射器（1120nm和1070nm波长的功率水平可调）通过一个（6+1）×1的市售保偏合束器与六个976nm的激光二极管进行合束，随后直接与放大光纤熔接。

合束器后的泵浦功率为390W（976nm）；976nm二极管泵浦掺镱光纤段，以放大1070nm的光。在YRFA的输出端，上海光机所自主研发的包层模消除器去除残余的976nm泵浦光，输出光纤的8°切割角抑制了寄生振荡。

对只掺镱的光纤放大器的模拟表明：只采用1120nm的种子激光，产生的前向和背向ASE仅分别比1120nm激光输出低31dB和22dB。然而，当种子激光器的输出调整为功率为38W的1120nm激光和2W的1070nm激光时，ASE被抑制到比信号低55dB和42dB的水平，这表明多波长种子激光能够有效地抑制ASE。

在该集成的放大器装置中，镱光纤段基本上是作为掺锗光纤段的输入。对于38W/2W（1120nm/1070nm）的双波长种子光，1070nm和1120nm的激光输入均在第一根2.7m的掺镱光纤中放大。之后，1070nm的信号达到最大值，并开始通过拉曼转换为1120nm。这种拉曼频移沿掺锗光纤的长度方向持续，在输出端，信号光接近99%的1120nm光。在实验中，1120nm的光达到301W的功率水平，仅受限于泵浦功率。初始1120nm种子激光的线宽为1.6nm，由于光纤段内纵向模式的四波混频，在经过完全放大后线宽展宽到3.3nm。

目前，掺镱光纤激光器可以产生千瓦甚至数十千瓦的衍射极限输出，通常使用主振荡器功率放大器架构。通过利用双波长激光器取代主振荡器，以及在功率放大器的末端增加拉曼光纤段，YRFA实现了完整的架构；研究人员认为实现高于千瓦级的拉曼光纤激光器是可能的。

“事实上，我们最近已经获得了波长为1120nm的千瓦级拉曼光纤激光器，”上海光机所的激光技术研究员冯衍说道，“我们提出的激光器结构允许进一步提升拉曼光纤激光器的功率，并且由于拉曼光纤激光器的波长多样性，其几乎具备在1~2μm的任何波长处输出高功率激光的能力。”