在過(guò)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(shí)現(xiàn)萬(wàn)瓦級(jí)連續(xù)波及峰值功率拍瓦級(jí)脈沖激光輸出，但輸出波長(zhǎng)仍受到增益介質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)的限制，如氣體激光器輸出波長(zhǎng)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(jí)躍遷的激光器輸出波長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用，如鈉導(dǎo)星、空間通信和氣體探測(cè)等。

圖1 稀土離子能級(jí)躍遷及對(duì)應(yīng)激光波長(zhǎng)

       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(shí)現(xiàn)靈活特殊波長(zhǎng)激光輸出的一種有效方式，理論上只要有合適波長(zhǎng)和功率的泵浦光，在拉曼介質(zhì)透光波段內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)激光輸出。近些年來(lái)，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(duì)基于晶體、光纖和片上光波導(dǎo)三種平臺(tái)的拉曼激光器進(jìn)展進(jìn)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(jìn)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(gè)多世紀(jì)之前，其材料體系在發(fā)展過(guò)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(zhǎng)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(jìn)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(yùn)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(guó)科大杭高院團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(dòng)輒數(shù)立方厘米量級(jí)的尺寸，人工合成的光學(xué)級(jí)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(bào)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(yùn)轉(zhuǎn)下的輸出能量研究進(jìn)展如圖2所示。

圖2 晶體拉曼激光器功率/能量研究進(jìn)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(duì)激光波長(zhǎng)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(jí)。在晶體拉曼激光器中，實(shí)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(duì)于拉曼增益的正反饋特性，輔以腔長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)便可在簡(jiǎn)易的兩鏡線性腔中實(shí)現(xiàn)單縱模拉曼激光輸出，基于此方案目前已實(shí)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(guó)科大杭高院團(tuán)隊(duì)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(yùn)行穩(wěn)定性的原因之一，通過(guò)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(tuán)隊(duì)分別實(shí)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(wú)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(guò)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(shì)，目前已實(shí)現(xiàn)了單纖連續(xù)波功率超萬(wàn)瓦輸出。

       基于不同結(jié)構(gòu)的拉曼光纖激光器近年來(lái)的功率研究進(jìn)展如圖4所示，圖中LD Raman Random代表基于單拉曼增益、隨機(jī)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(jìn)展

       雖然近年來(lái)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(jí)及以下）RFL的功率提升通常仍會(huì)受到光纖中后向SBS光的限制。目前，窄線寬RFL中實(shí)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(chǎng)定制光纖、對(duì)光纖施加軸向應(yīng)力梯度和溫度梯度及對(duì)光纖中聲子場(chǎng)進(jìn)行相干調(diào)控等，實(shí)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(shí)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(chǎng)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(chǎng)相干調(diào)控

       對(duì)單頻種子光光譜進(jìn)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(bǔ)這一短板，國(guó)科大杭高院團(tuán)隊(duì)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(guò)程中的相位倍增或和頻過(guò)程中的相位疊加對(duì)相位調(diào)制展寬后的基頻光光譜進(jìn)行被動(dòng)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出，其原理如圖6所示。基于此技術(shù)，團(tuán)隊(duì)分別實(shí)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(diǎn)之一。在RFL中，實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)鎖模，使用延時(shí)纖、增益調(diào)制二極管（GSD）和利用隨機(jī)分布反饋均可實(shí)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(duì)于特殊波長(zhǎng)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(chǎng)模式體積較小，較單模光纖可低1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。目前報(bào)導(dǎo)過(guò)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(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能；同時(shí)，平面波導(dǎo)器件也更易實(shí)現(xiàn)溫度控制，有利于泵浦光耦合及波長(zhǎng)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(duì)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?chǎng)因自相位調(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(shí)現(xiàn)寬范圍、無(wú)跳模波長(zhǎng)調(diào)諧；較高的熱膨脹系數(shù)則會(huì)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(shí)現(xiàn)了五階拉曼光輸出；調(diào)控脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實(shí)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(shí)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(guò)波導(dǎo)溫度調(diào)諧，Xia等還實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1個(gè)自由光譜范圍、無(wú)跳模的拉曼光波長(zhǎng)調(diào)諧，如圖9(g)所示，結(jié)合泵浦光自身波長(zhǎng)調(diào)諧特性，該片上拉曼光源可實(shí)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(jí)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(jì)； (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(zhǎng)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(tái)，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(shì)，但由于有限的熱傳導(dǎo)系數(shù)，連續(xù)波運(yùn)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(bǔ)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(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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