CN102388512B - 基于滤波器光纤的级联拉曼光纤激光器*** - Google Patents

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Abstract

一种光产生和放大***包括一段具有折射率分布并且在其工作波长上具有正常色散的激光激活滤波器光纤，该折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级。在所述光纤的输入端和输出端处提供一系列嵌套反射器件，并且该系列嵌套反射器件被配置为提供一系列嵌套拉曼腔体，该系列嵌套拉曼腔体在波长上分开大约相应的斯托克斯频移。该系列中的第一腔体是组合腔体，其提供由在选定的第一波长下的离子增益和反馈的组合导致的激光振荡，并且当在所述第一波长下的频移具有超过拉曼散射阈值的能量时向所述第一波长的第一斯托克斯频移下的光提供拉曼增益。拉曼腔体提供在所述第一波长和所述目标波长之间的逐步转换。

Description

基于滤波器光纤的级联拉曼光纤激光器***
对相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月11日提交的61/177058号美国临时专利申请的优先权，该临时申请由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本发明总体上涉及光纤装置和方法，并且更具体地涉及基于滤波器光纤的改进的级联拉曼光纤激光器***。
背景技术
级联拉曼光纤激光器（cascaded Raman fiber laser，CRFL）是用于产生在无法获得稀土离子增益的波长下的激光输出的有用装置。CRFL提供从开始波长向选定的目标波长的逐步转换。该逐步转换是通过在适当的拉曼增益介质中一个或多个拉曼级的级联激光发射产生的。例如通过对应的一系列嵌套的串联（in-line）反射光栅对在增益介质中产生一系列嵌套的拉曼腔体。通过前面的腔体中的拉曼散射引入的相应的拉曼斯托克斯频移将该系列中的每个连续的腔体的波长与前面的腔体分离。典型地使用高功率连续波（CW）激光器（如包层泵浦的掺Yb光纤激光器）来泵浦CRFL。
图1是当前的CRFL***配置20的图，在该***中展示了在1480nm下41W功率的***输出。单模1480nm的***输出70适于用作用于掺铒光纤激光器（EDFL）或掺铒光纤放大器（EDFA）的纤芯泵浦的高功率泵浦。如图1中所示，***20包括两个级：整体掺Yb光纤激光器40和级联拉曼谐振器（CRR）60。
在激光器40中，由在1000nm至1200nm的区域内工作的一段双包层掺Yb光纤42提供激活增益介质。在光纤42的输入端44提供高反射光栅HR1，并且在光纤42的输出端46提供输出耦合光栅OC1。高反射器件HR1、输出耦合器OC1和光纤42起到激光器腔体48的作用。由利用锥形光纤束（tapered fiber bundle）TFB1耦合到光纤42的多个泵浦50（例如多模915nm或975nm二极管激光器）向光纤42提供泵浦功率。在本示例中，激光器输出52是波长在1117nm的单模辐射。
激光器输出52被用于将泵浦功率输入到级联拉曼谐振器60中。谐振器60包括具有小的有效面积和正常色散的拉曼激活光纤62。正常色散防止调制不稳定性，调制不稳定性会导致在高功率时产生超连续谱。小的有效面积导致高拉曼增益，并且因此可以产生多个斯托克斯级。
在拉曼光纤的输入端64提供第一多个高反射光栅HR2-HR6，并且在拉曼光纤的输出端66提供第二多个高反射光栅HR7-HR11和输出耦合器OC2。附加的泵浦反射器件重复利用未使用的Yb辐射以增加效率。输入光栅HR2-HR6、输出光栅HR7-HR11和OC2以及拉曼光纤64提供一系列嵌套的拉曼腔体68。每个嵌套的拉曼腔体的相应波长被配置成在宽范围上产生一系列级联的斯托克斯频移，以通过一系列步骤将波长为1117nm的激光器输出增加到1480nm的目标波长。输出耦合器OC2提供1480nm的目标波长的***输出70，该***输出可随后被用于以基模泵浦EDFA或EDFL。
现有技术的***20受到多个已知的缺点和局限的影响。
首先，在1480nm将输出功率增加到41W时，发现必须限制谐振器60中拉曼光纤62的长度，以避免对位于1590nm的下一斯托克斯级的不希望的拉曼散射。
此外，位于***20中的不同波长和位置处的多个反射器件结合以产生耦合的腔体。将会看到，在1117nm的激光波长下有三个反射器件，即光栅HR1、OC1和HR7。通常这不会对在相对低功率工作的***（例如，在1480nm下输出5W）造成问题。然而，近来，关于拉曼光纤激光器的功率调整（scaling）进行了研究。从CRR展示出上面提到的高达41W的功率水平。
尽管从这种***展示出高功率，但是图1中的装置的耦合腔体的特性对长期可靠工作具有严重影响。特别地，耦合腔体能够使该***变得不稳定，并且产生相当高峰值功率的脉冲，从而损坏部件。特别发现激光器的高反射器件HR1是该***中的薄弱环节，推测起来，这是由于通过它传播的高功率造成的，并且还观察到在包括例如使用***20泵浦掺铒光纤激光器或放大器的各种条件下激光器的高反射器件HR1失效。另外，在拉曼激光器中产生的中间斯托克斯级的光可能传播回Yb放大器中并回到泵浦二极管，造成它们失效。此外，在第一斯托克斯频移下的光仍在Yb的增益带宽内，并且在到达二极管之前被放大。这显然也是有害的。
发明内容
本发明的各方面涉及包括滤波器光纤的光放大***，在该滤波器光纤中具有腔体，该腔体将离子增益和非线性增益同时用于高功率级联拉曼激光发射。
根据本发明的一个示例性光放大***包括具有折射率分布的一段激光激活滤波器光纤，该激光激活滤波器光纤抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，并且在它的工作波长上具有正常色散。
提供一系列嵌套的拉曼腔体，该系列拉曼腔体通过相应的斯托克斯频移在波长上分开。该系列中的第一拉曼腔体是结合腔体，该结合腔体向在选定的输入波长下的光输入提供离子增益，并且当光输入具有超过拉曼散射阈值的能量时向输入波长的第一斯托克斯频移下的光输入提供拉曼增益。该系列嵌套拉曼腔体中的每个连续的拉曼腔体在每个连续的斯托克斯频移下提供拉曼增益。从而该系列拉曼腔体提供输入波长和目标波长之间的逐步转换。适当的泵浦功率源将泵浦功率输入到该滤波器光纤中。
为了减小工作阈值并改进装置效率和操作，被配置为提供离子增益的第一腔体嵌套在后续的腔体内，后续的腔体在第一和更高斯托克斯频移下提供拉曼增益。利用这种结构，在第一增益波长下的光不受到来自用于形成其它腔体的元件损耗的影响。
在根据本发明的进一步描述的***中，结合主振荡器功率放大器配置使用单腔体谐振器设计。
附图说明
图1是根据现有技术的激光器泵浦的级联拉曼谐振器***的图。
图2是根据本发明第一方面的示例性级联拉曼谐振器***的图。
图3是示出图2中所示的级联拉曼谐振器的示例性波长和斯托克斯频移的表格。
图4和图5是分别示出针对从1000nm到1480nm的级联拉曼散射设计的滤波器光纤的测得的损耗和测得的与计算的色散的一对曲线图。
图6A和图6B是示出根据本发明另一方面的级联拉曼谐振器的示例性主振荡器功率放大器配置的图。
图7和图8A-B是示出根据所描述的本发明各方面的总体技术的一对流程图。
具体实施方式
本发明的各方面涉及例如以20W以上的高功率泵浦级联拉曼谐振器（CRR）的***和技术。
如上面讨论的，较早的设计受到由嵌套的耦合腔体引起的不稳定性的影响。一个可能的解决方案是使用主振荡器功率放大器（masteroscillator power amplifier，MOPA）配置，在该配置中整体高功率Yb光纤激光器的部件被分成低功率振荡器加上高功率放大器。MOPA配置允许使用适当的反向传播防止装置（如光纤耦合隔离器或滤波片式波分复用器（WDM））将振荡器与放大器和级联拉曼谐振器有效隔离，从而得到能够以20W的连续波（continuous wave，CW）功率可靠工作的***。在2009年5月11日提交的61/177058号美国临时专利申请中描述了该方法，该临时申请由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用包含在本文中。然而，MOPA方法的一个潜在缺点是部件数增加。
根据本发明的一个方面，由使用嵌套的耦合腔体引起的上述问题是通过使用由基于特别设计的掺Yb滤波器光纤的单腔体激光器提供级联拉曼放大的***配置而被有效消除的。在当前描述的“合而为一（all-in-one）”的单腔设计中，级联拉曼谐振器和泵浦功率源被合并为单个结构。在该方法中，由掺杂离子提供离子增益，同时通过拉曼散射在较长的波长下提供非线性增益。一系列串联的输入和输出光栅对提供反馈，该系列光栅中的每个连续光栅对的相应波长与先前的光栅对的波长分离近似于对应的斯托克斯频移的量。与其它方法相比较，本文中描述的“合而为一”腔体配置提供具有较少光纤和较低部件数的更简单的装置。
图2示出根据本发明的示例性***100的图。***100包括一段适于向通过其传播的光提供离子增益和拉曼增益的滤波器光纤102。在本示例中，滤波器光纤102是特别设计的掺Yb双包层滤波器光纤，其具有抑制在比选定的目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级的W形折射率分布，并且在其工作带宽上具有正常色散。在2009年5月11日提交的61/177058号美国临时专利申请中描述了该光纤，该临时申请由与本申请相同的受让人拥有并且其全部内容通过引用包含在本文中。
如下所述，根据本发明一方面的***包括通过相应的斯托克斯频移在波长上分离的一系列嵌套的拉曼腔体。可以使用另选的结构和波长选择元件，例如使用熔合光纤耦合器或薄膜滤波器以构造WDM环路镜，来构造拉曼谐振器，这对本领域的技术人员来说是公知的。另外，还可以考虑线性的单向环或双向环腔体几何结构。此外，图2还示出该级联拉曼谐振器被配置作为激光器工作，但是还可以通过去除最后一组光栅并替代地注入该波长的信号而将其配置作为放大器工作。仅是为了说明的目的而将本讨论集中在使用布拉格光栅反射器件构造的谐振器。
出于本讨论的目的，术语“反射器件”被用于一般地指代高反射器件或输出耦合器或者类似的装置，并且术语“多个反射器件”被用于一般地指代多个高反射器件或输出耦合器或者类似的装置，或者它们的任意组合。
在滤波器光纤102的输入端104提供第一多个高反射器件HR20-HR25，并且在滤波器光纤102的输出端106提供第二多个高反射器件HR26-HR30和输出耦合器OC20。在本示例中，使用光纤布拉格光栅或类似装置产生输入高反射器件HR20-HR25、输出高反射器件HR26-HR30和输出耦合器OC20，它们被写入与滤波器光纤102分离的光纤段中，并且然后被熔接到滤波器光纤102。应该指出，还可以将该光栅直接写入滤波器光纤102中。
***100还包括泵浦功率源108，泵浦功率源108包括一个或多个二极管激光泵浦108a-d或者类似的装置。泵浦108a-d通过泵浦组合器，即锥形光纤束TFB20或其它适当装置，耦合到滤波器光纤102。
图2示出反射器件HR20-HR30和OC20的示例性波长。然而，要指出的是，这些波长和腔体数目特定于所描述的***100，并且它们是出于本讨论的目的而提供的。应该理解，可以在具有其它波长的反射器件的***中实现本发明。此外，还可以针对给定的应用修改反射器件的数量和配置。还应该理解，可以关于泵浦组合器TFB20修改输入光栅HR20-HR25的位置。在图2中，输入光栅HR20-HR25被示出在泵浦组合器TFB20的右侧，TFB20在嵌套激光器腔体的外部。然而，输入光栅HR20-HR25同样也可以位于泵浦组合器TFB20的左侧，泵浦组合器TFB20在嵌套激光器腔体的内部。
在图2中所示的示例性***100中，反射器件HR10-HR20和OC20具有相应的波长和位置，使得它们形成一系列嵌套的波长匹配的反射器件对，第一反射器件位于滤波器光纤输入端104和第二反射器件位于滤波器光纤输入端106。该嵌套系列中的第一反射器件对包括高反射器件HR25和HR26，它们中的每一个具有1117nm的波长。该系列还有下列对：1175nm的HR24/HR27；1239nm的HR23/HR28；1310nm的HR22/HR29；1390nm的HR21/HR30；以及1480nm的HR20/OC20。这些对以及滤波器光纤102提供由相应的斯托克斯频移在波长上分开的一系列嵌套的拉曼腔体110。
图3是示出图2中所示的示例性***100的反射器件波长的表格130。图3中的表格130还示出有五个斯托克斯频移发生。出于说明的目的，表格130中包括1590nm的第六斯托克斯频移。然而，如下面讨论的，该斯托克斯频移（以及其后的更高级斯托克斯频移）被滤波器光纤102抑制。
1117nm的第一反射器件对HR25/HR26和滤波器光纤102提供起到激光器腔体和拉曼腔体作用的组合腔体。由位于高反射器件HR25和HR26之间的滤波器光纤102中的Yb提供离子增益。当掺Yb增益介质在1117nm产生的功率超过受激拉曼散射的阈值时，产生第一斯托克斯频移的光，所述第一斯托克斯频移在本示例中大约为1175nm。
该嵌套系列中的下一个反射器件对HR24/HR27具有对应于第一斯托克斯频移的波长。在1175nm下来自该光栅对的反馈将导致在该波长下的激光发射。根据本发明的另一方面，第一反射器件对位于下一个反射器件对内，以使第一腔体中的损耗最小化。其余的反射器件对HR23/HR28、HR22/HR29和HR21/HR30提供反馈，该系列中的每个光栅对的波长与该系列中的前一对的波长相差接近氧化硅光纤中相应的斯托克斯频移的量。当功率增加时，继续向更长波长进一步级联，直到在最后的光栅对HR20/OC20实现在目标波长（即1480nm）下的激光发射。因此，所述系列的斯托克斯频移提供从开始波长到目标波长的逐步转换。
在目标波长（即1480nm）下的光有可能经历进一步的拉曼增益。为了防止进一步级联到不希望的更长波长的斯托克斯级，该掺Yb增益介质具有基于W形凹陷包层设计的折射率分布，其中基本LP01模式在比目标波长更长的波长下截止。在2009年5月11日提交的61/177058号美国临时专利申请中描述了这种滤波器光纤的设计，该临时申请由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用包含在本文中。
具有基模截止的W形折射率分布的光纤已经被用在铒S波段放大器应用的情况中，并且还被用于抑制高功率的掺Yb光纤放大器中的拉曼散射。然而，这些光纤不适合于在高功率拉曼激光器的情况中使用，因为在这两种情况中滤波器光纤在宽波长范围上的色散特征都不是重要的考虑因素。如果在其中发生拉曼散射的光栅的色散是反常色散，那么调制不稳定性将导致超连续谱产生，而不是向离散的拉曼斯托克斯级散射。因此，针对级联拉曼散射设计的滤波器光纤必须在整个工作波长区域上具有正常色散。
本讨论使用以ps/(nm-km)为单位的色散参数D。负值的D表示正常色散，而正值的D表示反常色散。在反常色散情况下，会发生在正常色散情况中不存在的调制不稳定和孤波形成等现象。标准的单模光纤在大约1300nm的波长下具有零色散，并且在比该零色散波长更长的波长下具有反常色散。
图4是示出针对从1000nm到1480nm的级联拉曼散射，同时抑制在更长的波长下的斯托克斯频移而设计的滤波器光纤的测得的损耗。图5是示出针对该滤波器光纤计算出的色散151和测得的色散152的曲线图150。在本文中描述的示例性***中，提供基模截止的W形折射率分布与传统的双包层设计相结合以产生包层泵浦Yb光纤，该包层泵浦Yb光纤也将提供本文中所描述的级联拉曼散射。
在关于使用高功率Yb激光器来泵浦级联拉曼谐振器的***的一些试验中，发现Yb激光高反射器件在该***中是薄弱环节，这可能是由通过它传播的高功率造成的。已经观察到这种***在例如使用这些***泵浦掺铒光纤放大器等的各种情况下失效。因此，在有些情况下，使用MOPA配置可能是有益的，在MOPA配置中使用可以与功率放大器隔离的低功率振荡器。根据本发明的另一方面，功率放大和级联拉曼激光发射的功能在同一腔体内发生。
图6A和图6B是示出根据本发明另一方面的示例性的基于MOPA的***200的图。***200包括在两个不同功率范围的两级操作：低功率振荡器220（图6A）和高功率单腔体功率放大器及级联拉曼谐振器240（图6B）。振荡器220以及组合的放大器和级联拉曼谐振器240通过光学隔离器234（图6A）和波分复用器236（图6A）相互隔离。
振荡器220（图6A）包括一段激光激活双包层掺Yb光纤222或者能够提供适当的增益介质的其它光纤。高反射器件HR40和输出耦合器OC40分别位于光纤222的输入端224和输出端226。高反射器件HR40、输出耦合器OC40和光纤222提供激光器腔体228。泵浦230，如二极管激光器或其它适当的泵浦功率源，将泵浦功率输入到光纤222中。泵浦230通过锥形光纤束TFB40或类似装置耦合到光纤222。在本示例中，振荡器220在1117nm下提供大约15W的激光输出232。在该相对低的功率水平，高反射器件HR40具有最小的可靠性问题。
振荡器输出232馈送通过光学隔离器234和波分复用器236，并且作为输入进入组合的功率放大器和级联拉曼谐振器240。
组合的功率放大器和级联拉曼谐振器240（图6B）由一段掺Yb双包层滤波器光纤242（如上面关于图2的***100讨论的滤波器光纤102）制成。如上面讨论的，滤波器光纤242适合于作为用于振荡器输出232的功率放大和用于拉曼激光发射的增益介质。在光纤输入244提供第一多个高反射器件HR41-HR45，并且在光纤输出246提供第二多个高反射器件HR46-HR50和输出耦合器OC41。输入反射器件HR41-HR45、输出反射器件HR46-HR50、输出耦合器OC41和光纤242在其间限定选定波长的一系列嵌套激光器腔体248。应该理解，输入反射器件HR41-HR45同样可以位于TFB41之前，使得TFB41在该嵌套谐振器内。
泵浦源250将泵浦功率输入到滤波器光纤242内，用于振荡器输出230的功率放大。在图6B中，泵浦源250被示出为多个泵浦装置250a-d，如二极管激光器等。泵浦装置250通过锥形光纤束TFB41或其它适当装置耦合到滤波器光纤242。
泵浦源250通过掺杂的滤波器光纤242中的离子增益将振荡器输出232放大到允许在滤波器光纤242中发生拉曼散射的功率水平。如上面讨论的，在该特定滤波器光纤242中，第一斯托克斯频移将传播光的波长增加到1175nm。高反射器件HR46被提供用于将1117nm的任何未被散射的光都反射回来。在所示出的配置200中，没有1117nm的输入高反射器件，以允许1117nm的辐射进入拉曼腔体。
高反射器件HR41-HR50和输出耦合器OC41形成一系列嵌套的波长匹配对，该系列中的每对与前一对分开相应的斯托克斯频移。在该系列中的每对之间发生拉曼激光发射，结果实现从振荡器输出波长（即1117nm）到目标波长（即1489nm）的级联逐步转换。由高反射器件HR45和输出耦合器OC41提供与输出波长的耦合。滤波器光纤242提供比目标波长更长的波长的基模截止，从而防止不希望的更高级斯托克斯频移。
隔离器234防止从放大器和谐振器240反向传播的光到达谐振器220，并干扰其操作。隔离器234保护振荡器220不受反向传播的隔离器带宽内所有波长的光的影响，所述波长包括与振荡器输出232的波长类似的波长。依赖于波长的损耗元件，即WDM 236，防止反向传播的斯托克斯辐射到达振荡器220。
在本发明的另一实践方式中，一种光产生和放大***包括有效掺杂的拉曼滤波器光纤，其中在偏离峰值离子增益波长多于两个斯托克斯频移的波长下损耗增加。今天的有效掺杂滤波器光纤一般试图滤除偏离信号波长一个斯托克斯频移的拉曼增益。根据本发明的该实践方式，使用一种新的光纤，该光纤增加偏离信号多个斯托克斯频移的分布损耗，即相比于前面已经考虑的，增加信号和损耗之间极大的波长频移。因此，不仅使用该光纤的腔体几何结构是新颖的，而且该光纤本身也是新颖的。
图7和图8A-B是示出根据本发明的上述各方面的总体技术的一对流程图300和350。应该理解，流程图300和350意图是说明性的，而不是限制性的。应该特别指出的是，所列出的方法的一些或全部要素可以在本发明的精神和范围内改变顺序、相互结合或者与未列出的要素结合、或者被分成多个子要素。另外，不必执行所有提到的要素。
图7的流程图300中说明的技术包括以下要素：
框301：提供一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的激光激活滤波器光纤，该折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级。
框302：使用该激光激活光纤为在波长上分开大约相应斯托克斯频移的一系列嵌套拉曼腔体提供增益介质，
其中该系列嵌套腔体中的第一腔体是组合腔体，其被配置为提供从在选定的第一波长下的离子增益和反馈的组合产生的激光振荡，并且当所述第一波长下的光具有超过拉曼散射阈值的强度时向所述第一波长的第一斯托克斯频移下的光提供拉曼增益，
其中该系列嵌套拉曼腔体中的每个连续的拉曼腔体被配置为在每个连续的斯托克斯频移下提供拉曼增益，从而该系列嵌套拉曼腔体提供在所述第一波长和所述目标波长之间的逐步转换。
步骤303：提供泵浦功率源，该泵浦功率源用于提供输入到所述滤波器光纤中的泵浦功率。
图8A-B的流程图350中示出的技术包括以下要素：
框351：使用低功率振荡器以产生激光输出。
框352：将该振荡器耦合到组合的放大器和谐振器，其中所述振荡器的输出被提供作为进入所述组合的放大器和谐振器的输入，并且其中所述组合的放大器和谐振器提供在目标波长下的单模输出，
其中所述组合的放大器和谐振器包括：
一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的激光激活和拉曼激活滤波器光纤，该折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，
耦合到所述滤波器光纤的泵浦功率源，其用于提供输入到所述滤波器光纤中的泵浦功率，从而所述振荡器输出被放大到超过所述滤波器光纤的拉曼散射阈值的水平，
位于所述滤波器光纤的输出端的所述振荡波长的第一高反射器件，其用于将未被散射的所述振荡波长下的光反射回来，
一系列反射器件对，每对包括提供在所述滤波器光纤的输入端的相应波长的相应第一反射器件和提供在所述滤波器光纤的输出端的相应波长的相应第二反射器件，其中该系列中的每个反射器件对和所述滤波器光纤被配置为提供一系列嵌套拉曼腔体，该系列嵌套拉曼腔体提供所述振荡波长和所述目标波长之间的逐步转换，以及
最后反射器件对，其包括提供在所述滤波器光纤输入端的高反射器件和写入所述滤波器光纤输出端的输出耦合器，用以提供耦合出所述滤波器光纤的所述目标波长的输出。
框353：在所述振荡器和放大器之间连接反向传播预防装置，从而所述振荡器与所述放大器和谐振器光学隔离，并且所述振荡器可在第一功率水平范围内工作，所述放大器和振荡器可在超过所述第一功率水平范围的第二功率水平范围内工作。
框354：使用所述滤波器光纤和所述泵浦功率源放大所述振荡器输出并且产生在所述目标波长下的激光输出。
注意，所述拉曼增益带宽是相当大的，并且所述反射器件可以位于所述增益带宽内的任何位置，而不必在所述增益的峰值处。
上述***和技术可适用于许多其它情况，包括但不限于：线性和环拉曼谐振器；拉曼放大器结构；包括第二泵浦的双泵浦***，第二泵浦不与任何一个拉曼腔体谐振，但是仍在所述拉曼增益带宽内；撞击倍频晶体，窄线宽的偏振输出对该倍频晶体是有益的；例如在参数***中使用的脉动或调制的操作等等。
对于拉曼放大器要指出的是，它们的结构除了放大器拉曼腔体被构造为没有最后的斯托克斯频移和输出耦合器以外，典型地类似于拉曼激光器的结构。此外，还在最后的斯托克斯频移下将种子激光耦合到拉曼腔体中。可以将来自种子源的种子输入在不同的位置注入到放大器中。该种子激光控制多个放大器性质，例如偏振输出、窄线宽、可调谐性等等。
尽管以上描述包括使本领域技术人员能够实现本发明的细节，但是应该理解，本描述本质上是说明性的，并且对于受益于这些教导的本领域技术人员来说，对以上描述的许多修改及改变是显而易见的。因此，希望本发明仅由所附权利要求限定，并且如现有技术所允许的那样宽泛地解释权利要求。

Claims (22)

1.一种光产生和放大***，包括：
一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的激光激活滤波器光纤，所述折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，
其中所述激光激活光纤为在波长上分开大约相应的斯托克斯频移的一系列嵌套拉曼腔体提供增益介质，
其中所述系列嵌套腔体中的第一腔体是组合腔体，其被配置为提供从在选定的第一波长下的离子增益和反馈的组合产生的激光振荡，并且当在所述第一波长下的光具有超过拉曼散射阈值的强度时向在所述第一波长的第一斯托克斯频移下的光提供拉曼增益，
其中所述系列嵌套拉曼腔体中的每个连续的拉曼腔体被配置为在每个连续的斯托克斯频移下提供拉曼增益，从而所述系列嵌套拉曼腔体提供在所述第一波长和所述目标波长之间的逐步转换，并且
其中位于所述滤波器光纤输出端的输出耦合器被配置为提供耦合出所述滤波器光纤的在所述目标波长下的光的输出；以及
泵浦功率源，其用于提供输入到所述滤波器光纤中的泵浦功率。
2.根据权利要求1所述的光产生和放大***，其中由拉曼输入光栅组和拉曼输出光栅组提供所述嵌套拉曼腔体。
3.根据权利要求1所述的光产生和放大***，其中所述滤波器光纤是在比所述目标波长更长的波长下具有LP01模式截止的双包层光纤。
4.根据权利要求3所述的光产生和放大***，其中所述滤波器光纤是掺Yb光纤。
5.根据权利要求1所述的光产生和放大***，其中所述泵浦功率源包括多个激光二极管。
6.根据权利要求5所述的光产生和放大***，还包括用于将所述泵浦功率源耦合到所述滤波器光纤的锥形光纤束。
7.根据权利要求1所述的光产生和放大***，其中所述激光激活滤波器光纤具有折射率分布，该折射率分布抑制在偏离峰值离子增益波长大于两个斯托克斯频移的波长下的不希望的斯托克斯级。
8.一种光放大***，包括：
基于光纤的振荡器，其用于提供在选定的振荡波长下的振荡器输出；
耦合到所述振荡器的组合的放大器和谐振器，其中所述振荡器输出被提供作为进入所述组合的放大器和谐振器的输入，并且其中所述组合的放大器和谐振器提供在目标波长下的单模输出，
其中所述组合的放大器和谐振器包括：
一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的激光激活和拉曼激活滤波器光纤，所述折射率分布抑制在比所述目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，
耦合到所述滤波器光纤的泵浦功率源，其用于提供输入到所述滤波器光纤中的泵浦功率，从而所述振荡器输出被放大到超过所述滤波器光纤的拉曼散射阈值的水平，
位于所述滤波器光纤的输出端的所述振荡波长的第一高反射器件，其用于将未被散射的所述振荡波长下的光反射回去，
一系列反射器件对，每对包括提供在所述滤波器光纤的输入端的相应波长的相应第一反射器件和提供在所述滤波器光纤的输出端的相应波长的相应第二反射器件，其中所述系列中的每个反射器件对和所述滤波器光纤被配置成提供一系列嵌套拉曼腔体，该系列嵌套拉曼腔体提供在所述振荡波长和所述目标波长之间的逐步转换，以及
最后反射器件对，其包括提供在所述滤波器光纤输入端的高反射器件和写入所述滤波器光纤输出端的输出耦合器，用以提供耦合出所述滤波器光纤的所述目标波长下的输出；
连接在所述振荡器和所述组合的放大器和谐振器之间的依赖于波长的损耗元件，从而所述振荡器与所述放大器和谐振器光学隔离，
从而所述振荡器可在第一功率水平范围内工作，并且所述组合的放大器和谐振器可在超过所述第一功率水平范围的第二功率水平范围内工作。
9.根据权利要求8所述的光放大***，其中所述振荡器包括：
一段具有输入端和输出端的激光激活双包层光纤；
提供在所述双包层光纤的输入端的高反射器件，和提供在所述双包层光纤的输出端的输出耦合器，其中所述高反射器件、输出耦合器和双包层光纤提供激光器腔体；以及
耦合到所述光纤的泵浦源，其用于提供进入所述光纤的泵浦输入。
10.根据权利要求8所述的光放大***，其中所述滤波器光纤是双包层光纤，所述双包层光纤在比所述目标波长更长的波长下具有LP01模式截止，并且在工作带宽上具有正常色散。
11.根据权利要求10所述的光放大***，其中所述滤波器光纤是掺Yb光纤。
12.根据权利要求8所述的光放大***，其中所述泵浦功率源包括多个激光二极管。
13.根据权利要求12所述的光放大***，还包括用于将所述泵浦功率源耦合到所述滤波器光纤的锥形光纤束。
14.根据权利要求8所述的光放大***，还包括连接在所述振荡器和所述组合的放大器和谐振器之间的光学隔离器。
15.根据权利要求8所述的光放大***，其中所述依赖于波长的损耗元件包括滤波片式波分复用器。
16.一种光产生和放大方法，包括：
提供一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的激光激活滤波器光纤，所述折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，
使用所述激光激活光纤为在波长上分开大约相应的斯托克斯频移的一系列嵌套拉曼腔体提供增益介质，
其中所述系列嵌套腔体中的第一腔体是组合腔体，其被配置为提供从在选定的第一波长下的离子增益和反馈的组合产生的激光振荡，并且当所述第一波长下的光具有超过拉曼散射阈值的强度时向所述第一波长的第一斯托克斯频移下的光提供拉曼增益，
其中所述系列嵌套拉曼腔体中的每个连续的拉曼腔体被配置为在每个连续的斯托克斯频移下提供拉曼增益，从而所述系列嵌套拉曼腔体提供在所述第一波长和所述目标波长之间的逐步转换，并且
其中位于所述滤波器光纤输出端的输出耦合器被配置为提供耦合出所述滤波器光纤的所述目标波长下的光的输出；以及
提供泵浦功率源，该泵浦功率源用于提供输入到所述滤波器光纤中的泵浦功率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述系列嵌套拉曼腔体包括一组输入光栅和一组输出光栅。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述滤波器光纤是在比所述目标波长更长的波长下具有LP01模式截止的双包层光纤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述滤波器光纤是掺Yb光纤。
20.一种光放大方法，包括：
(a)使用低功率振荡器来产生激光输出；
(b)提供一段具有折射率分布并且在工作带宽上具有正常色散的拉曼激活滤波器光纤，该折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级，
其中所述滤波器光纤是用于功率放大的适当的增益介质，
其中提供有一系列反射器件对，每对包括提供在所述滤波器光纤的输入端的相应波长的相应第一反射器件和提供在所述滤波器光纤的输出端的相应波长的相应第二反射器件，
其中所述系列中的每个反射器件对和所述滤波器光纤提供相应的拉曼腔体，该相应的拉曼腔体用于提供在相应波长下的拉曼增益，从而所述系列反射器件对和所述滤波器光纤提供在波长上分离相应斯托克斯频移的一系列嵌套拉曼腔体，
其中所述系列嵌套腔体向通过其传播的光提供级联拉曼增益，从而产生从开始波长到所述目标波长的逐步转换；
(c)将泵浦功率源耦合到所述滤波器光纤以提供进入所述滤波器光纤的泵浦功率输入；
(d)将所述振荡器与所述滤波器光纤和泵浦功率源隔离；以及
(e)使用所述滤波器光纤和所述泵浦功率源来放大所述振荡器输出并产生选定的目标波长的激光输出。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述滤波器光纤是在比所述目标波长更长的波长下具有LP01模式截止的双包层光纤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述滤波器光纤是掺Yb光纤。
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