在過去數(shù)十年的發(fā)展中，基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光器發(fā)展迅速，目前已能實現(xiàn)萬瓦級連續(xù)波及峰值功率拍瓦級脈沖激光輸出，但輸出波長仍受到增益介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)的限制，如氣體激光器輸出波長通常為633 nm（He-Ne）或10 μm附近（CO2），基于鐿（Yb）、釹（Nd）、鉺（Er）、銩（Tm）和鈥（Ho）等稀土離子摻雜晶體能級躍遷的激光器輸出波長通常集中在1 μm、1.5 μm、2 μm和2.7 μm等波段附近（圖1），在某些特殊波段（如1.2 μm，2.2 μm）的發(fā)光效率很低，限制了其實際應(yīng)用，如鈉導(dǎo)星、空間通信和氣體探測等。

圖1 稀土離子能級躍遷及對應(yīng)激光波長

       受激拉曼散射（SRS）是突破現(xiàn)有增益介質(zhì)發(fā)射譜線范圍限制、實現(xiàn)靈活特殊波長激光輸出的一種有效方式，理論上只要有合適波長和功率的泵浦光，在拉曼介質(zhì)透光波段內(nèi)便可實現(xiàn)任意波長激光輸出。近些年來，隨著拉曼材料、激光技術(shù)的創(chuàng)新及材料加工工藝的提升，拉曼激光器在功率和能量提升、窄線寬和超短脈沖輸出以及小型化等方面取得了快速發(fā)展。

       下面將對基于晶體、光纖和片上光波導(dǎo)三種平臺的拉曼激光器進展進行綜述，以梳理出其發(fā)展脈絡(luò)、技術(shù)特征及所面臨的挑戰(zhàn)，促進技術(shù)間的融合與創(chuàng)新發(fā)展。

2.1 晶體拉曼激光

       晶體拉曼激光器的研究可追溯至半個多世紀(jì)之前，其材料體系在發(fā)展過程中也愈加豐富，從早期的碘酸鹽、硝酸鹽逐步發(fā)展至鎢酸鹽、釩酸鹽等（傳統(tǒng)拉曼晶體）。在2005年前后，隨著生長工藝的提升，基于人工合成金剛石晶體的拉曼激光器也逐漸走進人們的視野中并取得了顯著成果。

       在晶體拉曼激光器功率提升研究中，熱效應(yīng)是面臨的主要難題之一，尤其是在連續(xù)波/準(zhǔn)連續(xù)波運轉(zhuǎn)狀態(tài)下。受此限制，目前基于傳統(tǒng)晶體的連續(xù)波/準(zhǔn)連續(xù)波拉曼激光器輸出功率僅在15 W以內(nèi)。反觀金剛石，憑借其的熱傳導(dǎo)特性，其連續(xù)波/準(zhǔn)連續(xù)波下輸出功率可達(dá)154 W/1.2 kW。

       近期，基于腔結(jié)構(gòu)和熱管理方案優(yōu)化，國科大杭高院團隊進一步將連續(xù)波金剛石拉曼激光器輸出功率提升至了200 W。但是，相較傳統(tǒng)晶體動輒數(shù)立方厘米量級的尺寸，人工合成的光學(xué)級金剛石尺寸僅不足0.1 cm3，限制了其在大能量脈沖拉曼激光輸出方面的應(yīng)用。

      目前，金剛石拉曼激光器中報導(dǎo)的單脈沖能量輸出記錄僅為11.2 mJ，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)拉曼晶體中的676 mJ。晶體拉曼激光器的連續(xù)波/準(zhǔn)連續(xù)波輸出功率及脈沖運轉(zhuǎn)下的輸出能量研究進展如圖2所示。

圖2 晶體拉曼激光器功率/能量研究進展。 (a) 連續(xù)波/準(zhǔn)連續(xù)波功率； (b) 脈沖重復(fù)頻率與單脈沖能量

       在某些特殊應(yīng)用中，除了對激光波長有特定要求外，通常還需要激光光譜線寬較窄，達(dá)到兆赫茲甚至赫茲量級。在晶體拉曼激光器中，實現(xiàn)窄線寬激光輸出的方式如圖3所示。受激拉曼散射不存在空間燒孔效應(yīng)，利用駐波腔對于拉曼增益的正反饋特性，輔以腔長鎖定系統(tǒng)便可在簡易的兩鏡線性腔中實現(xiàn)單縱模拉曼激光輸出，基于此方案目前已實現(xiàn)了14 W連續(xù)波金剛石拉曼激光輸出，10分鐘內(nèi)頻率穩(wěn)定性優(yōu)于68 MHz。

      近期，國科大杭高院團隊的研究表明，拉曼諧振腔中寄生振蕩的受激布里淵散射（SBS）是影響拉曼激光單縱模運行穩(wěn)定性的原因之一，通過空間濾波抑制SBS及腔內(nèi)倍頻引入額外非線性損耗抑制其他縱模產(chǎn)生的方式本團隊分別實現(xiàn)了連續(xù)波20 W及準(zhǔn)連續(xù)波38 W的單縱模激光輸出。

圖3 窄線寬晶體拉曼激光器裝置示意圖。 (a) 受激拉曼散射的無空間燒孔特性；(b) 短腔法； (c) 插入選模元件； (d) 受激布里淵散射空間濾除； (e) 腔內(nèi)倍頻引入額外非線性損耗

2.2 拉曼光纖激光

       過去二十年間，隨著光纖及其相關(guān)器件生產(chǎn)工藝的提升，拉曼光纖激光器（RFL）也獲得了快速發(fā)展。得益于極大的表面積體積比，光纖有著出色的散熱特性，因而在功率提升方面相較傳統(tǒng)晶體拉曼激光器通常有著突出優(yōu)勢，目前已實現(xiàn)了單纖連續(xù)波功率超萬瓦輸出。

       基于不同結(jié)構(gòu)的拉曼光纖激光器近年來的功率研究進展如圖4所示，圖中LD Raman Random代表基于單拉曼增益、隨機腔結(jié)構(gòu)下的LD直接泵浦RFL，F(xiàn)L Raman MOPA代表基于單拉曼增益、主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)下的光纖激光泵浦RFL，Raman-Yb Oscillator代表基于Yb/Raman混合增益、振蕩腔結(jié)構(gòu)下的RFL，其他圖注可據(jù)此類推。

圖4 拉曼光纖激光器功率研究進展

       雖然近年來拉曼光纖激光器在功率提升方面發(fā)展迅速，但窄線寬（MHz量級及以下）RFL的功率提升通常仍會受到光纖中后向SBS光的限制。目前，窄線寬RFL中實現(xiàn)SBS抑制的幾種方法如圖5所示，包括反向泵浦、使用聲子場定制光纖、對光纖施加軸向應(yīng)力梯度和溫度梯度及對光纖中聲子場進行相干調(diào)控等，實際情況下往往采取多種方式的組合以更好地抑制SBS，如MPB公司的Wei等便基于后向泵浦和拉曼纖應(yīng)力梯度優(yōu)化實現(xiàn)了105 W連續(xù)波1178 nm激光輸出。

圖5 RFL中SBS抑制方法。 (a) 反向泵浦； (b) 聲子場定制光纖； (c) 施加軸向應(yīng)力梯度； (d) 光纖溫度控制； (e) 聲子場相干調(diào)控

       對單頻種子光光譜進行相位調(diào)制展寬可有效降低SBS增益，提高RFL中SBS閾值，但犧牲了窄線寬特性。為了彌補這一短板，國科大杭高院團隊提出了基于非線性相位變換的光譜壓縮技術(shù)，利用倍頻過程中的相位倍增或和頻過程中的相位疊加對相位調(diào)制展寬后的基頻光光譜進行被動解調(diào)，實現(xiàn)窄線寬激光輸出，其原理如圖6所示?；诖思夹g(shù)，團隊分別實現(xiàn)了連續(xù)波20 W的單頻589 nm倍頻光及590 nm和頻激光輸出，且輸出功率仍存在較大提升空間。

圖6 基于(a) 倍頻 (b) 和頻的非線性光譜壓縮技術(shù)原理 

       除功率和線寬方面研究外，超快拉曼光纖激光器也是目前的研究熱點之一。在RFL中，實現(xiàn)超快激光輸出的技術(shù)路線包括鎖模（mode-locking）、同步泵浦（synchronous pumping）和非線性光學(xué)增益調(diào)制(NOGM)等。

       根據(jù)具體方法的不同，每條技術(shù)路線又可進行細(xì)分，如圖7所示，例如使用聲光調(diào)制器（AOM）、非線性環(huán)形鏡（NOLM）、可飽和吸收體（SA）和非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）均可實現(xiàn)鎖模，使用延時纖、增益調(diào)制二極管（GSD）和利用隨機分布反饋均可實現(xiàn)同步泵浦。

圖7 超快拉曼光纖激光技術(shù)路徑 (a) 鎖模 (b) 同步泵浦 (c) 非線性光學(xué)增益調(diào)制

2.3  片上拉曼激光

       基于微型光波導(dǎo)研制片上拉曼激光光源對于特殊波長激光光源的小型化和集成化有著重要意義。與固體拉曼光源類似，片上拉曼激光通常也是在諧振腔中產(chǎn)生的，但其諧振腔中光場模式體積較小，較單模光纖可低1至2個數(shù)量級。目前報導(dǎo)過的主要拉曼微腔結(jié)構(gòu)包括微球腔、法布里-珀羅腔、微芯圓環(huán)腔和平面波導(dǎo)微腔等（圖8）。

       早期基于微腔的拉曼激光產(chǎn)生多采用微球或微芯圓環(huán)腔結(jié)構(gòu)，通常有著較高的Q值（本征~108），出光閾值較低（低于百微瓦）。隨著半導(dǎo)體微納加工工藝的發(fā)展和普及，通過光刻和刻蝕制備的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微型環(huán)形諧振腔（MRR）逐漸取代了立體微腔，成為目前片上拉曼激光器的主流結(jié)構(gòu)。相較微球和微芯圓環(huán)腔等立體結(jié)構(gòu)，MRR更易實現(xiàn)低成本、高良率的大規(guī)模生產(chǎn)，且便于與其他集成光器件聯(lián)用實現(xiàn)更復(fù)雜的功能；同時，平面波導(dǎo)器件也更易實現(xiàn)溫度控制，有利于泵浦光耦合及波長調(diào)諧。

圖8 典型拉曼微腔結(jié)構(gòu)。 (a) 微球； (b) 法布里-珀羅腔； (c) 微芯圓環(huán)腔； (d) 平面波導(dǎo)微腔

       材料自身物理特性對于片上拉曼微腔結(jié)構(gòu)及其輸出性能至關(guān)重要，尤其是Kerr非線性系數(shù)、拉曼增益及增益譜寬以及熱膨脹系數(shù)等參數(shù)。例如，較高的Kerr非線性系數(shù)易使得波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓鈭鲆蜃韵辔徽{(diào)制、交叉相位調(diào)制及四波混頻等光學(xué)非線性發(fā)生展寬；較寬的拉曼增益譜更易實現(xiàn)寬范圍、無跳模波長調(diào)諧；較高的熱膨脹系數(shù)則會增加泵浦光功率耦合的難度。

       硫系玻璃是一種典型的片上拉曼材料，有著較高拉曼增益及較寬拉曼增益譜，透光范圍也可覆蓋中紅外波段，因而受到了廣泛關(guān)注。基于高Q值的As2S3微球腔，蒙特利爾大學(xué)Vanier等實現(xiàn)了五階拉曼光輸出；調(diào)控脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)平面波導(dǎo)微腔的色散管理，基于此原理，近期中山大學(xué)Xia等制備了近零色散和反常色散下的GeSbS跑道型微腔，并據(jù)此分別實現(xiàn)了近乎單模的一階拉曼光和Kerr-Raman光梳輸出，如圖9(e)-(f)所示。

       得益于硫系材料較高拉曼增益和較寬拉曼增益譜，通過波導(dǎo)溫度調(diào)諧，Xia等還實現(xiàn)了超過1個自由光譜范圍、無跳模的拉曼光波長調(diào)諧，如圖9(g)所示，結(jié)合泵浦光自身波長調(diào)諧特性，該片上拉曼光源可實現(xiàn)更大光譜范圍連續(xù)可調(diào)的拉曼激光輸出，有著重要應(yīng)用意義。

圖9 (a) As2S3微球腔及其級聯(lián)拉曼轉(zhuǎn)換； (b) As2S3跑道型微腔工藝； (c) GeSbSe平面波導(dǎo)色散管理設(shè)計； (d) GeSbS微環(huán)腔結(jié)構(gòu)及色散特性； (e) 近零色散下GeSbS微環(huán)腔拉曼轉(zhuǎn)換； (f) 反常色散下GeSbS微環(huán)腔輸出Raman-Kerr光梳； (g) GeSbS微環(huán)腔波長調(diào)諧特性

       晶體、光纖和片上光波導(dǎo)是目前拉曼激光技術(shù)的主流平臺，有著各自明顯的技術(shù)特征。

       晶體的高增益和大體積使得其在高能脈沖拉曼激光產(chǎn)生方面有著較大優(yōu)勢，但由于有限的熱傳導(dǎo)系數(shù)，連續(xù)波運轉(zhuǎn)下的晶體拉曼激光器熱效應(yīng)通常較明顯。人工合成金剛石技術(shù)的提升彌補了晶體拉曼激光器在高功率連續(xù)波輸出方面的短板，目前已突破百瓦，但仍與拉曼光纖激光輸出功率差距甚遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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