專利名稱：級聯(lián)喇曼激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及級聯(lián)喇曼激光器，它包含以泵浦波長λp發(fā)射的泵浦輻射源；由光學(xué)介質(zhì)制成的輸入部分和輸出部分，每個(gè)部分包含波長λ1、λ2、……λn-k的波長選擇器，其中n≥3，λp＜λ1＜λ2＜……λn- 1＜λn，而λn-k+1、λn-k+2、……λn為激光器的k≥1發(fā)射波長；由非線性光學(xué)介質(zhì)制成的內(nèi)腔部分，具有零色散波長λ0，置于輸入和輸出部分之間。
背景技術(shù)：
這樣的激光器在本領(lǐng)域中通常已知，例如，從US-A-5,323,404中。
喇曼激光器通常包含泵浦源，通常為連續(xù)波(CW)激光器；一定長度的非線性光學(xué)介質(zhì)，例如光纖。在光纖上間隔放置具有相同峰值反射率的反射器，以形成激光諧振腔。這種激光器的基本物理原理為自發(fā)喇曼散射效應(yīng)。這是一個(gè)非線性過程，只在高的光密度下發(fā)生，包括傳播通過非線性介質(zhì)的光與介質(zhì)振動(dòng)模式的耦合以及不同波長的光的再輻射。波長變長的再輻射光通常稱作斯托克斯線，而波長變短的光稱作反斯托克斯線。通常使用喇曼激光器泵浦光波長變長的情況。當(dāng)使用二氧化硅光纖作為非線性介質(zhì)時(shí)，最強(qiáng)的喇曼散射(最大喇曼增益)發(fā)生在頻移大約13.2THz處，相應(yīng)于1至1.5μm之間的泵浦波長移動(dòng)大約50-100nm。
在做成環(huán)形激光器的喇曼激光器中，由耦合器或光環(huán)形器閉合非線性光纖，從而得到光纖環(huán)。然后，通常用具有特定通帶中心波長的光纖——例如法-珀光纖——代替反射器。通用術(shù)語“波長選擇器”今后將用于指反射器、光纖或其它在喇曼激光器中用來確定光學(xué)諧振腔的裝置。
“級聯(lián)”喇曼激光器是這樣的喇曼激光器，它除了具有用于發(fā)射波長為λn的輻射的光腔之外，還至少具有一個(gè)用于波長為λn-1＜λn(其中n≥2)的又一個(gè)光腔。在這樣的級聯(lián)喇曼激光器中，輻射經(jīng)過數(shù)次斯托克斯躍遷，從而其波長隨后變長了。如果具有超過一個(gè)波長的輻射耦合出激光器，那么這樣的激光器就稱作多波長喇曼激光器。
喇曼激光器常用作喇曼放大器在1310或1550nm處的泵浦激光器，或用作無中繼光纖通信系統(tǒng)中間接泵浦鉺光纖放大器的1480nm泵浦激光器。在其它波長處的其它用途也是可能的和可預(yù)期的。
級聯(lián)喇曼激光器的主要特性之一為轉(zhuǎn)換效率，它定義為激光的輸出功率與輸入端的光泵浦功率之比。另一主要特性為閾值泵浦功率，這是要產(chǎn)生足夠的光輸出功率——例如，至少幾個(gè)mW的輸出功率——所必須超過的泵浦功率。如果泵浦功率低于閾值，那么只會有幾個(gè)μW量級的無價(jià)值的光輸出功率。
在許多方面，都希望具有低泵浦閾值的喇曼激光器。例如，它應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生低但是穩(wěn)定的輸出功率。盡管在很多應(yīng)用中，大的輸出功率是一個(gè)基本特征，但是還有其它應(yīng)用需要這樣的低但是穩(wěn)定的輸出功率。
這種應(yīng)用的一個(gè)例子是用于二級泵浦的喇曼激光器。在這種二級泵浦激光器的典型結(jié)構(gòu)中，依照上面解釋過的一級泵浦原理，用單個(gè)大功率源放大兩個(gè)低功率泵浦源。然后，這兩個(gè)低功率泵浦源可以例如放大一個(gè)傳輸信號。這樣的結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有的需要使用兩個(gè)大功率泵浦源的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)便宜得多。
理論上，這樣的結(jié)構(gòu)將需要只發(fā)射幾個(gè)mW的低功率泵浦源。然而，目前，對于所需的波長范圍，還沒有具有這么低但是穩(wěn)定的輸出功率的泵浦激光器。
從J.-C.Bouteiller等人的題為“提供改善的噪聲系數(shù)和大增益帶寬的雙級喇曼泵浦(Dual-order Raman pump providing improvednoise figure and large gain bandwidth)”(FB3-1，OFC 2002截稿日期后提交的論文)的論文中，已知可將大功率和低功率源組合在單個(gè)級聯(lián)喇曼激光器件中。通過在狹窄的長周期光柵中衰減原本穩(wěn)定的大功率激光線來獲得穩(wěn)定的低功率輸出。
從US-A1-2002/0015219中得知一種非線性光纖放大器，它尤其適用于大約在1430-1530nm的低損耗窗口。這一寬帶非線性極化放大器將級聯(lián)喇曼放大和參量放大或四波混合組合在一起。中間級聯(lián)喇曼級波長之一應(yīng)當(dāng)大致接近放大光纖的零色散波長λ0。對于這一中間喇曼級，由于和四波混合的相位匹配或相位匹配的參量放大，會發(fā)生頻譜展寬。在另外的級聯(lián)喇曼級中，由于增益譜和來自前喇曼級的頻譜之間的卷積，增益譜持續(xù)展寬。然而，這一文獻(xiàn)并不涉及具有低泵浦功率閾值的級聯(lián)喇曼激光器的公開。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是給出在開始時(shí)提到的具有低泵浦功率閾值的級聯(lián)喇曼激光器。
利用在開始時(shí)提到的激光器，達(dá)到了這一目的，選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn-k和腔內(nèi)部分的零色散波長λ0，從而能量通過多波混合而在不同波長的輻射之間轉(zhuǎn)移。
由于現(xiàn)在用多波混合輔助喇曼散射，能量從更短波長的輻射更有效地轉(zhuǎn)移到更長波長的輻射。多波混合對斯托克斯轉(zhuǎn)變的這一促進(jìn)使得可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低功率輸出。因此新的級聯(lián)喇曼激光器尤其適合用作像上面說明的那樣構(gòu)造二級泵浦的低功率泵浦源，但是當(dāng)然不局限于這種用處。
斯托克斯線之間更有效的能量轉(zhuǎn)移還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)在光的傳播方向上，相應(yīng)于激光器發(fā)射波長的最終斯托克斯線在空間上出現(xiàn)得更早。這樣，有可能減小腔內(nèi)部分，例如，喇曼有源光纖的長度。
術(shù)語多波混合在此處用作表述四波混合和簡并四波混合——后者常稱為三波混合——現(xiàn)象的通用術(shù)語。
用于特定波長的每對波長選擇器形成波長等于該波長的輻射的光腔。波長選擇器可以是具有特定中心波長的反射器，例如布拉格光柵，特定中心波長定義為反射器反射帶的峰值波長。
輸入和輸出部分認(rèn)為是喇曼激光器中包含波長選擇器的那些部分。激光器的腔內(nèi)部分是沒有選擇器的中心部分，置于輸入部分和輸出部分之間。只要腔內(nèi)部分由在受到大光強(qiáng)照射時(shí)表現(xiàn)出非線性效應(yīng)——特別是自發(fā)喇曼散射——的材料制成，那么對形成輸入、輸出和腔內(nèi)部分的光學(xué)介質(zhì)就沒有限制。這些部分可形成不同光學(xué)介質(zhì)，由不同材料制成，但也可以是，輸入、輸出和腔內(nèi)部分形成單個(gè)連續(xù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，只是在概念上分成不同部分。
所要由多波混合產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)需要選擇零色散波長λ0以使得出現(xiàn)線性相位匹配。合適的相位匹配條件將取決于應(yīng)當(dāng)由多波混合輔助的斯托克斯躍遷。然而，這并不意味著必需嚴(yán)格滿足合適的相位匹配條件。零色散波長λ0偏離理想值+/-10nm都將使多波混合足夠大。
多波混合并不必需包括任何要耦合出激光器的波長。然而，如果至少激光器的發(fā)射波長之一包括在多波混合中，則這一條件是尤其優(yōu)選的。如果激光器只發(fā)射一個(gè)波長，這就意味著通過多波混合，多余的能量轉(zhuǎn)移給了所發(fā)出的輻射。
可選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn-k以使多波混合造成的能量轉(zhuǎn)移至少包括三個(gè)相鄰波長。如果只要將一個(gè)波長的輻射耦合出激光器，則這種選擇尤其有利。
為了在此情形中實(shí)現(xiàn)四波混合，必需選擇反射器的中心波長以使1/λi＝1/λi-1+1/λi-2-1/λi-3，其中i＝3、4……n，并且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于(λi-1+λi-2)/2。
為了在此情形中實(shí)現(xiàn)三波混合，必需選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn-k以使1/λi＝2/λi-1-1/λi-2，
其中i＝3、4……n，并且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于λi-1。
然而，并不要求多波混合只包括相鄰斯托克斯線。尤其是對于發(fā)出不止一個(gè)波長的輻射的激光器來說，如果選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn-K以使多波混合造成的能量轉(zhuǎn)移至少包括三個(gè)非相鄰波長。
例如，如果要將兩個(gè)不同波長的輻射耦合出激光器，則如果選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn-2以使1/λi＝1/λi-2+1/λi-3-1/λi-5，以及1/λi-1＝1/λi-2+1/λi-3-1/λi-4，其中i＝5、6……n，就可實(shí)現(xiàn)四波混合，并且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于(λi-2+λi-3)/2。
此情形中三波混合的條件是選擇波長選擇器的波長λ1、λ2……λn -1的波長以使1/λi＝2/λi-2-1/λi-4，以及1/λi-1＝2/λi-2-1/λi-3，其中i＝5、6……n，并且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于λi-2。
然而，應(yīng)當(dāng)指出，可以用不同于上面所給的示范性條件的各種其它方法來實(shí)現(xiàn)多波混合。
由于多波混合的幫助，無需給出利用多波混合得到的那些波長的光腔，能更有效地將能量傳遞給那些波長的輻射。
然而，為了改善激光器的穩(wěn)定性，優(yōu)選地對于每個(gè)發(fā)射波長，在輸入部分和輸出部分分別放置波長λn-k+1、λn-k+2……λn的附加的波長選擇器。
到目前為止，新的級聯(lián)喇曼激光器的元件只用通用術(shù)語提到。例如，沒有限制激光器是做成線性的還是環(huán)形的激光器結(jié)構(gòu)。輸入和輸出部分以及腔內(nèi)部分可用任何已知的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作，例如平面光波導(dǎo)。
然而，輸入和輸出部分是光纖且腔內(nèi)部分是喇曼有源光纖的情況尤為優(yōu)選，正如本技術(shù)中所知的那樣。
所選的選擇器的類型將取決于用于新激光器的特定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對于光纖，理論上可使用任何具有高反射性的反射裝置，例如直接形成在光纖端面的多層結(jié)構(gòu)。對于光纖尤其優(yōu)選的反射器是內(nèi)嵌布拉格光柵。


從下面與附圖一起給出的優(yōu)選實(shí)施方案的描述中，可以清楚地看出本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)和特征，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的級聯(lián)喇曼光纖激光器的示意圖；圖2為圖1所示的激光器的斯托克斯線在波長域的圖示，示出相鄰線之間的能量轉(zhuǎn)移；圖3a為一簡化能級圖，示出光纖中的四波混合過程；圖3b為在波長域中示出四波混合的示意圖；圖4a為一簡化能級圖，以類似于圖3a的表示方法示出光纖中的三波混合過程；圖4b為以類似于圖3b的表示方法在波長域中示出三波混合的示意圖；圖5為傳統(tǒng)的激光器中出現(xiàn)在不同波長處用于提高泵浦功率Pin的光功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖，示出激發(fā)不同斯托克斯線的泵浦閾值；圖6為類似于圖5的曲線圖，但是是關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的激光器做出的；圖7為根據(jù)本發(fā)明的激光器的另一實(shí)施方案在頻域中的斯托克斯線的圖示，示出四波混合輔助的相鄰斯托克斯線對之間的能量轉(zhuǎn)移；
圖8為根據(jù)本發(fā)明的激光器的又一實(shí)施方案在頻域中的斯托克斯線的圖示，示出三波混合輔助的相鄰斯托克斯線對之間的能量轉(zhuǎn)移。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性繪出根據(jù)本發(fā)明的級聯(lián)喇曼激光器的代表性實(shí)施方案，整個(gè)用10標(biāo)示。激光器10包含泵浦源12，發(fā)射波長λp的輻射。釹或鐿光纖激光器或其它喇曼激光器都可用作泵浦源12。此外，任何其它的單模激光器——光纖的以及基于摻有金屬離子的大體積元件，包括晶體——可用作泵浦源12。
激光器10還包含輸入部分14、輸出部分16以及置于輸入部分14和輸出部分16之間的腔內(nèi)部分18。在此實(shí)施方案中，腔內(nèi)部分由磷硅酸鹽喇曼有源光纖20組成，這種光纖對大功率光強(qiáng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性響應(yīng)。為此目的而特別設(shè)計(jì)的喇曼有源光纖就如本技術(shù)領(lǐng)域中所知的那樣，因此將不更詳細(xì)地描述。
輸入部分14包含輸入光纖21，它是常規(guī)的低損耗光纖。然而，理論上輸入光纖21還可以是喇曼有源光纖。在所示的實(shí)施方案中在輸入光纖21上形成N＝5個(gè)光纖布拉格光柵141、142……145。
輸出部分16包含輸出光纖23，它與輸入光纖21同類。然而，理論上輸出光纖23也可以是喇曼有源光纖或與輸入光纖21不同類。在輸出部分16中，在輸出光纖23上也形成N＝5個(gè)光纖布拉格光柵161、162……165。
輸入布拉格光柵組141、142……145以及輸出布拉格光柵組161、162……165用作反射器，其反射帶分別具有中心波長λ1、λ2……λ5。每對具有匹配中心波長λi的布拉格光柵形成波長λi的光學(xué)諧振腔，至少包含腔內(nèi)部分18的喇曼有源光纖20的部分長度。
腔長可以例如在幾百米至幾千米的范圍內(nèi)。由于喇曼有源光柵20的衰減，輸入光纖21和輸出光纖23通常依賴于波長，對于不同波長，對于給定波長，最佳腔長將不相同。由于內(nèi)嵌光纖布拉格光柵對于超出其反射帶的波長基本是100％透過，因而可以對所有布拉格光柵進(jìn)行靈活布置。例如，光腔可以是順序放置的，也可以是互相交疊一定的程度。在圖1所示的實(shí)施方案中，假設(shè)了λ1＜λ2＜……＜λ5。從圖1可看出，腔長隨中心波長的增大而增大。
所有上面提到的布拉格光柵最好具有高的反射率，在其中心波長處反射率優(yōu)選地大于98％。只有輸出部分16中的布拉格光柵165具有低的反射率(通常在5％到15％的范圍內(nèi))，以發(fā)射波長為λ5的輻射。這是因?yàn)椴ㄩLλ5是激光器10的發(fā)射波長，應(yīng)當(dāng)至少以較大的程度耦合出激光器10。布拉格光柵165也可用提供足夠反射率的解理光纖端面代替。
激光器10在其輸出端16還包含另一未成對高反射率布拉格光柵22，中心波長為λp。這一未成對布拉格光柵22反射波長λp的泵浦波長，提供了泵浦輻射沿喇曼有源光纖20的至少雙重路徑，從而更有效地利用了泵浦輻射。
標(biāo)號24和26標(biāo)明內(nèi)腔部分18的喇曼有源光纖20分別與輸入光纖21和輸出光纖23相連的第一和第二焊點(diǎn)。然而，正如上面所提到的，所有布拉格光柵都可直接包括在喇曼有源光纖20中，從而無需焊點(diǎn)。從減少諧振腔中光輻射損耗的角度來看，這一變化是優(yōu)選的。
標(biāo)號28標(biāo)明激光器10的輸出，在此，波長λn的輻射可耦合進(jìn)例如長距離通信光纖。
在下面，將更詳細(xì)地說明喇曼激光器10的功能。正如剛開始時(shí)所提到的，喇曼激光器基于非線性過程，即指的是自發(fā)喇曼散射。喇曼散射來自于強(qiáng)光與光學(xué)介質(zhì)，例如，石英光纖中的光子之間的相互作用。喇曼散射導(dǎo)致能量從一條光束——例如泵浦源12發(fā)射的波長λp的光——轉(zhuǎn)移到另一條光束——例如波長λ1的光。如果λ1＞λp(即，波長上移)，這一轉(zhuǎn)移稱作斯托克斯躍遷。而λ1＜λp的情形(波長下移)稱作反斯托克斯躍遷。為了在喇曼激光器中獲得斯托克斯或反斯托克斯躍遷，必需確保光學(xué)反射器的所有中心波長λ1、λ2……λn處于喇曼增益譜中。后者由喇曼有源光纖20可能的振動(dòng)模式來確定。
為了更具體一些，在激光器工作過程中，泵浦光源12發(fā)出的泵浦輻射耦合進(jìn)輸入部分14，基本上不受阻礙地傳播通過輸入部分14進(jìn)入腔內(nèi)部分18，在這里大部分泵浦輻射將通過喇曼散射轉(zhuǎn)換成具有更長波長λ1的輻射。然后這一具有上移了的波長的輻射被輸出部分16中中心波長λ1的布拉格光柵161反射。這一改變方向的波長λ1的輻射反向傳播通過喇曼有源光纖20，在此它通過喇曼散射被基本轉(zhuǎn)換成波長λ2的輻射?，F(xiàn)在這一輻射被輸入部分14中的布拉格光柵142反射。喇曼散射造成的這一波長轉(zhuǎn)換過程持續(xù)進(jìn)行直到產(chǎn)生波長λ5的輻射。然后就可使用這一輻射，它可通過輸出28耦合出激光器10。
上面對激光器工作的討論是高度簡化了的，因?yàn)?，通常說來，一個(gè)光子在經(jīng)歷喇曼散射產(chǎn)生具有更大波長的光子然后穿出該光腔進(jìn)入下一光腔之前，會在每個(gè)光腔中來回地反射。
圖2示出喇曼級聯(lián)的能量轉(zhuǎn)移。在此圖示中，從波長λn的泵浦輻射向波長λ1的輻射然后從波長λi的輻射向λi+1的輻射的相繼的能量轉(zhuǎn)移(即，相繼的斯托克斯線)由虛箭頭301、302……305表示。如圖2所示，喇曼級聯(lián)的不同級之間的波長移動(dòng)(相繼的斯托克斯線)并不一定要相等。應(yīng)當(dāng)指出，由于光纖中的喇曼散射過程和光損耗，波長λi處的的強(qiáng)度總要小于波長λi-1處的強(qiáng)度。這意味著在激光器10的輸出28處，只能得到泵浦源12耦合進(jìn)輸入部分14的光功率中的一部分。
在圖1示意性示出的激光器中，選擇中心波長λ1、λ2……λ5以使1/λ5＝1/λ4+1/λ3-1/λ2(1)這一條件反映了四波混合情況中的能量守恒。選擇喇曼光纖20的零色散波長λ0以使它基本等于(λ3+λ4)/2(見圖2)。后一條件將稱為要出現(xiàn)四波混合所需的相位匹配條件。
作為選擇，如果選擇中心波長λ1、λ2……λ5以使1/λ5＝2/λ4-1/λ3(2)并且喇曼光纖20的零色散波長λ0基本等于λ4，相應(yīng)于倒數(shù)第二條斯托克斯線，將能滿足三波混合的能量轉(zhuǎn)換和相位匹配條件。
四波和三波混合效應(yīng)在下面參考圖3a、3b、4a和4b進(jìn)行說明。
四波混合是一種光學(xué)克爾效應(yīng)，出現(xiàn)在三種不同波長的光射入光纖時(shí)，引起新的波(通常稱作閑置波)，其波長不與其它光中的任何一個(gè)相符。
圖3a示出簡化能級圖，其中基態(tài)由40標(biāo)示，三個(gè)激發(fā)態(tài)分別標(biāo)為42、44和46。在四波混合情形中，吸收了頻率分別為ω3和ω4的第一和第二泵浦光子，產(chǎn)生頻率ω5的斯托克斯邊帶光子和頻率ω2的反斯托克斯光子。
四波混合只在下面的能量轉(zhuǎn)換條件滿足時(shí)才出現(xiàn)ω5＝ω4+ω3-ω2(3)它相應(yīng)于式(1)。
另外，相互作用的光子必需滿足相位匹配條件。
圖3b在波長域中示意性示出四波混合效應(yīng)。正如所看到的，有可能由波長λ3和λ4的兩泵浦束產(chǎn)生具有上移波長λ5和下移波長λ2的輻射。對于圖1的級聯(lián)喇曼激光器10，這一效應(yīng)意味著發(fā)生了從波長λ4的輻射和波長λ3的輻射向激光發(fā)射波長λ5的附加能量轉(zhuǎn)移。在圖2中，這一效應(yīng)由另外的點(diǎn)線箭頭50和52表示。附加的能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致更直接和更快的向具有發(fā)射波長λ5的最終斯托克斯線的能量轉(zhuǎn)移。
圖4a和4b示出與圖3a和3b類似的示意圖。圖4a與圖3a的不同之處在于激發(fā)態(tài)能級62、64和66。激發(fā)態(tài)62和基態(tài)60之間的能量差與激發(fā)態(tài)66和激發(fā)態(tài)64之間的能量差相同。這意味著具有同樣能量(頻率ω4)的兩個(gè)光子能產(chǎn)生另外兩個(gè)光子一個(gè)具有更低能量ω5的斯托克斯光子和一個(gè)具有更高能量ω3的反斯托克斯光子。兩個(gè)泵浦光子頻率相同的情形稱作簡并四波混合或也稱作三波混合。
在此情形中的能量轉(zhuǎn)換條件為ω5＝2ω4-ω3(4)它相應(yīng)于式(2)。
圖5和6示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中分別對傳統(tǒng)的三級級聯(lián)喇曼激光器和根據(jù)本發(fā)明的三級級聯(lián)喇曼激光器關(guān)于不同光泵浦功率Pin測量不同波長的光功率。將圖5和6比較可以看出，對于相同的光泵浦功率Pin，基本上光功率大致產(chǎn)生在波長λ1＝1326nm和λ2＝1415nm處。然而，在傳統(tǒng)的喇曼激光器中，對于5W范圍內(nèi)的光泵浦功率Pin，并不會激發(fā)波長λ3＝1516nm的最終斯托克斯線(激光器的發(fā)射線)。
相反，利用三波混合的新的級聯(lián)喇曼激光器可以在光泵浦功率閾值Pth僅有大約3W的情形下產(chǎn)生波長λ3＝1516nm的最終斯托克斯線。這是由于三波混合造成的從第二斯托克斯線向第三斯托克斯線的附加能量轉(zhuǎn)移。從而新的級聯(lián)喇曼激光器可在極低的光泵浦功率閾值下產(chǎn)生輸出輻射。
圖7在頻域中示出根據(jù)本發(fā)明的激光器另一實(shí)施方案的斯托克斯線圖示。在此實(shí)施方案中，選擇波長選擇器以使在用701一并標(biāo)示的兩個(gè)第一斯托克斯躍遷中，從頻率ωp的泵浦輻射產(chǎn)生頻率ω1和ω2的一對斯托克斯線P1。然后，這對頻率ω1和ω2的斯托克斯線P1進(jìn)行另一次由702一并標(biāo)示的斯托克斯躍遷，產(chǎn)生頻率ω3和ω4的第二對斯托克斯線P2。在進(jìn)一步的躍遷703中，產(chǎn)生頻率ω5和ω6的第三對斯托克斯線P3。
為了實(shí)現(xiàn)相鄰斯托克斯線對P2和P3之間四波混合輔助的能量轉(zhuǎn)移，必需滿足下面的能量轉(zhuǎn)換條件ω6＝ω4+ω3-ω1(5)以及ω5＝ω4+ω3-ω2(6)或者，在波長域中寫為1/λ6＝1/λ4+1/λ3-1/λ1(7)以及1/λ5＝1/λ4+1/λ3-1/λ2(8)相位匹配條件為λ0＝(λ3+λ4)/2(9)式(5)和(6)的頻率差在圖7中由水平箭頭表示。
如果滿足了這些條件，則四波混合輔助了能量向最終兩條頻率ω5和ω6的斯托克斯線的轉(zhuǎn)移。實(shí)際上，圖1所示的兩個(gè)激光器就這樣組合在單個(gè)器件中，造成級聯(lián)喇曼激光器，它可以是，例如，不僅具有一個(gè)低功率輸出，而可具有兩個(gè)低功率輸出。
圖8在頻域中示出根據(jù)本發(fā)明的激光器又一實(shí)施方案的斯托克斯線圖示。此實(shí)施方案與圖7所示的不同之處在于用三波混合代替四波混合來輔助斯托克斯躍遷。
在一并標(biāo)為801的兩個(gè)第一斯托克斯躍遷中，從頻率ωp的泵浦輻射產(chǎn)生頻率ω1和ω2的一對斯托克斯線P1。然后，這對頻率ω1和ω2的斯托克斯線P1進(jìn)行另一次由802標(biāo)示的斯托克斯躍遷，產(chǎn)生頻率ω3的單條斯托克斯線。在進(jìn)一步的躍遷803中，產(chǎn)生頻率ω4和ω5的第二對斯托克斯線P2’。
為了實(shí)現(xiàn)三波混合輔助的能量轉(zhuǎn)移，必需滿足下面的能量轉(zhuǎn)換條件ω5＝2ω3-ω1(10)以及ω4＝2ω3-ω2(11)或者，在波長域中寫為1/λ5＝2/λ3+1/λ1(12)以及1/λ4＝2/λ3-1/λ2(13)相位匹配條件為λ0＝λ3(14)結(jié)果還是可耦合出兩個(gè)穩(wěn)定的低功率輸出的級聯(lián)喇曼激光器。
權(quán)利要求
1.級聯(lián)喇曼激光器，包含a)泵浦輻射源(12)，在泵浦波長λp上發(fā)射，b)輸入部分(14)和輸出部分(16)，由光學(xué)介質(zhì)制成，每個(gè)部分(14，16)包含波長λ1、λ2……λn-k的波長選擇器(141、142……145和161、162……165)，其中n≥3，λp＜λ1＜λ2＜……＜λn- 1＜λn，而λn-k+1、λn-k+2……λn為激光器(10)的k≥1個(gè)發(fā)射波長，以及c)腔內(nèi)部分(18)，由非線性光學(xué)介質(zhì)制成，具有零色散波長λ0，置于輸入(14)和輸出(16)部分之間，其特征在于d)選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-k和腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0以使能量通過多波混合在不同波長的輻射之間轉(zhuǎn)移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其特征在于激光器(10)的發(fā)射波長λn-k+1、λn-k+2……λn中的至少一個(gè)包括在多波混合中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其特征在于選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-k以使多波混合導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)移至少包括三個(gè)相鄰波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的激光器，其特征在于選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-1以使1/λi＝1/λi-1+1/λi-2-1/λi-3，其中i＝3、4……n，且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于(λi-1+λi-2)/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的激光器，其特征在于選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-k以使1/λi＝2/λi-1-1/λi-2，其中i＝3、4……n，且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于λi-1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其特征在于選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-k以使多波混合導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)移至少包括三個(gè)非相鄰波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的激光器，其特征在于k＝2并選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-2以使1/λi＝1/λi-2+1/λi-3-1/λi-5，以及1/λi-1＝1/λi-2+1/λi-3-1/λi-4，其中i＝5、6……n，且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于(λi-2+λi-3)/2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的激光器，其特征在于k＝2并選擇波長選擇器(141、142……145和161、162……165)的波長λ1、λ2……λn-1以使1/λi＝2/λi-2-1/λi-4，以及1/λi-1＝2/λi-2-1/λi-3，其中i＝5、6……n，且腔內(nèi)部分(18)的零色散波長λ0基本等于λi-2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其特征在于對于每個(gè)發(fā)射波長，在輸入部分(14)和輸出部分(16)中分別提供用于波長λn-k+1、λn -k+2……λn的附加波長選擇器(145、165)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其特征在于波長選擇器為具有中心波長λ1、λ2……λn-k的反射器。
全文摘要
級聯(lián)喇曼激光器(10)具有發(fā)射波長λ
文檔編號H01S3/067GK1477741SQ0313311
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月24日
發(fā)明者凱瑟琳·馬爾迪內(nèi)利, 弗勞倫斯·萊普林加德, 迪布特·西爾維斯特雷, 弗雷德里克·范豪爾斯貝克, 菲利普·埃姥普利特, 埃姥普利特, 西爾維斯特雷, 凱瑟琳 馬爾迪內(nèi)利, 斯 萊普林加德, 里克 范豪爾斯貝克 申請人:阿爾卡塔爾公司