拉曼增益

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拉曼增益(Raman gain)

定义:由受激拉曼散射导致的光学增益

拉曼增益是由受激拉曼散射产生光学增益。当具有高光强的泵浦光入射时,不论在透明固体介质(如光纤)还是在液体或气体介质中都有可能发生。利用这个可以用来制作拉曼放大器和拉曼激光器。增益的大小依赖于泵浦光和信号光之间的频率偏移,泵浦的波长以及材料的性质。和稀土掺杂增益介质相比,拉曼增益需要更高的泵浦强度和更长的相互作用距离,并且具有不一样的饱和特性和依赖于泵浦光的波长的增益谱。

由受激拉曼散射导致的的窄带泵浦波和斯托克斯位移波(具有较低的光学频率)之间的相互作用可以通过以下方程来描述:

Lmzy01.jpg

其中 和 是光强(以W/m2的单位), 和 的两个光的频率, 是拉曼增益系数(对于石英光纤为10-13m/ W的量级)。这两个光束假定是完全重叠并且在z方向上传播的。当然,其他方面的影响也需要根据情况被被添加到等式中,如自发拉曼散射和线性传播损耗。

该方程表明,斯托克斯波经历了增益系数为 的放大,而泵浦光失去了更多的能量。这是因为,一个泵浦光子被转换成一个斯托克斯光子(低能量)和一个声子。声子能量对应于光子能量的差异。这个丢失的光能量被转换成热能。

拉曼增益系数主要取决于在光频率的差,但也受到泵浦波长和偏振方向的影响。图1示出了石英的拉曼增益对于频率差的函数,假设两个光束的具有相同的线性偏振。当频率偏移为13.2THz时拉曼增益具有最大值。例如,一个波长为1064nm的泵浦光会在1116nm处具有最大的拉曼增益。在拉曼光谱中的峰对应于石英材料本身的某些振动模式。

Lmzy02.png

图 1 石英光纤的拉曼增益谱。横轴为信号光相对于泵浦光的相对频率偏移。该数据来自参考文献[4]。

对于宽带激光特别是超短脉冲,受激拉曼散射会更加显著。它可以利用一个拉曼响应函数h(t)来表述,该函数描述了电场的非线性极化的延迟时间响应[2,4,6]。

光纤中的拉曼增益会十分显著,因为在光纤中激光可以在很长的距离内保持很高的光强。当某个波长的拉曼增益高于70dB时,即使入射光中没有斯托克斯光,还是将会有相当大的功率被转换为斯托克斯波。这种效应限制了高功率光纤激光器和放大器的性能。

参考文献

[1] R. H. Stolen and E. P. Ippen, “Raman gain in glass optical waveguide”, Appl. Phys. Lett. 22 (6), 276 (1973)

[2] K. J. Blow and D. Wood, “Theoretical description of transient stimulated Raman scattering in optical fibers”, IEEE J. Quantum Electron. 25 (12), 2665 (1989)

[3] J. Bromage et al., “A method to predict the Raman gain spectra of germanosilicate fibers with arbitrary index profiles”, IEEE Photon. Technol. Lett. 14 (1), 24 (2002)

[4] D. Hollenbeck and C. D. Cantrell, “Multiple-vibrational-mode model for fiber-optic Raman gain spectrum and response function”, J. Opt. Soc. Am. B 19 (12), 2886 (2002)

[5] X. Yan et al., “Raman transient response and enhanced soliton self-frequency shift in ZBLAN fiber”, J. Opt. Soc. Am. B 29 (2), 238 (2012)

[6] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edn., Academic Press, New York (2007)


参阅:非线性拉曼散射拉曼放大器拉曼激光器石英光纤