基本概念

對(duì)于高功率光纖激光器而言，限制其高功率輸出的影響因素主要有非線性效應(yīng)產(chǎn)生的斯托克斯光（拉曼光）和橫向模式不穩(wěn)定（TMI）等，傾斜光柵主要針對(duì)前者進(jìn)行拉曼抑制以提高拉曼抑制比SRS。為什么要提高激光器的拉曼抑制比？針對(duì)1080nm光纖激光器而言，其一級(jí)斯托克斯光波長在1135nm。這個(gè)波長對(duì)于工業(yè)加工來說屬于不受歡迎的、有害的副產(chǎn)品。主要原因：

一方面，由于這個(gè)波長更長，光子能量低，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換利用效率有一定的下降。pump光能量轉(zhuǎn)化的量子虧損大，量子虧損大意味著就有部分能量最終必然會(huì)產(chǎn)生廢熱（轉(zhuǎn)化為光纖內(nèi)部的晶格振動(dòng)）。而且由于拉曼成分也會(huì)競(jìng)爭一部分主信號(hào)的能量，也會(huì)一定程度上降低諧振腔的輸出效率。

另一方面，對(duì)于金屬材料的吸收，這個(gè)波長的吸收率遠(yuǎn)低于主信號(hào)波長1080nm。吸收效率低不僅不利于工藝加工，而且如果被工件反射耦合回到激光器里就會(huì)進(jìn)一步被增益放大，如此惡性循環(huán)。此外我們?cè)谇懈铑^等光路傳輸途中的鏡片鍍膜上，也主要是針對(duì)主信號(hào)波長進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，長波長的光譜成分在透過率上可能會(huì)略有下降。

總之，激光器廠家會(huì)把在高功率光纖激光器中提高拉曼抑制比作為一項(xiàng)主要的任務(wù)之一。至于怎么去提高拉曼抑制比？方法很多，諸如盡量縮短光纖長度或者采用后向泵浦方案，甚至可以去優(yōu)化pump波長提高諧振腔后端的吸收效率等都可以一定程度上降低拉曼成分，但最簡單直接的還是采用拉曼抑制光柵RSS（這里也有人說是傾斜光柵TFBG的）。

如下圖，是傾斜光柵的簡單工作機(jī)理：

與普通的FBG相似，纖芯傳輸?shù)募す庠谟龅街芷谛缘恼凵渎收{(diào)制區(qū)域之后，由于每一個(gè)“纖芯刻槽”都形成一個(gè)折射率突變界面，光在遇到這個(gè)界面后由于菲涅爾反射發(fā)生微弱的反射，多個(gè)折射率突變界面產(chǎn)生的反射光如果被柵距調(diào)制到相位匹配后（這里特指對(duì)1135nm拉曼光進(jìn)行相位調(diào)制），那此時(shí)它們每個(gè)微弱的反射光之間會(huì)相干加強(qiáng)（波峰對(duì)波峰/波谷對(duì)波谷）。相干加強(qiáng)說明此區(qū)域的能量增強(qiáng)，但因?yàn)槟芰渴鞘睾愕模鈻艑⒛芰俊笆`”于此，那么“穿透”光柵的能量就相應(yīng)降低了，這就是對(duì)光柵反射的簡單理解。傾斜光柵的主要特點(diǎn)就是這個(gè)折射率突變界面（光柵刻痕）是與纖芯方向呈一定的角度，這樣經(jīng)光柵反射的拉曼光角度就不會(huì)垂直反射回去而是向光纖包層耦合進(jìn)入包層反向傳輸。進(jìn)入包層的這些拉曼光其實(shí)就是被“濾除”掉了，因?yàn)橐徊糠謺?huì)被涂覆層等吸收以熱量的形式耗散掉，就算沒被吸收完全也會(huì)反向被光路中的剝模器CMS過濾掉。當(dāng)然不滿足相位匹配的主信號(hào)波長會(huì)正常穿過RSS。

實(shí)際應(yīng)用

回到今天的主題，為什么我想說拉曼光柵不僅僅是簡單的過濾拉曼光成分這一表象作用呢？其實(shí)是想說它在提高激光諧振腔的抗回返光能力上的重要作用。

正如上文所說，如果想單純的提高激光器輸出的拉曼抑制比SRS的話，采用反向泵浦、縮短光纖等手段也可能比較明顯的降低拉曼成分。但問題就在于激光器抗高反的能力上：我們雖然可以將原始的輸出拉曼光抑制的很小，但架不住它只要有一點(diǎn)點(diǎn)被反射回去就會(huì)在腔內(nèi)被大量的增益。尤其是在實(shí)際生產(chǎn)中，光纖的熔接、模塊之間的空間布局，甚至客戶對(duì)傳輸光纖特定的長度需求等都不可能將傳輸光纖長度無限地降低。光纖長度稍長一些，這個(gè)反射回去的增益就更明顯，甚至比原拉曼抑制比大小的影響更大。所以這就不得不考慮使用拉曼抑制光柵，它可以有效的降低每一次經(jīng)過它的拉曼光含量，讓系統(tǒng)的拉曼成分總能保持一個(gè)很低的含量，不至于回到腔內(nèi)產(chǎn)生大量的增益、甚至出現(xiàn)二級(jí)拉曼的惡劣情況。只要初始拉曼成分控制好，且在后續(xù)被反射回去后也能有效的抑制二次拉曼增益的話，那激光器的抗回返能力就很高了。

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