吴天娇，李 岩

拉曼光纤放大器由于其低噪声、可实现任意波长放大的特点改善了掺铒光纤放大器和半导体光纤放大器工作的局限性，对于开发低损耗（O波段）窗口激光输出有着不可替代的作用，因而受到了广泛关注.选择一种优质材料最终实现泵浦波长到适用波长的高效转换尤为重要，因为拉曼频移不仅取决于斯托克斯能级间隔量，也同样需要结合实验材料特性.目前被报道的自激发现象大多是很多年前的晶体材料（如KGd（WO4）2［1］，PbWO4［2］，BaNO3［3］）中掺杂稀土元素Nd3+或Yb3+，通过受激拉曼散射来实现脉冲激光器频率转换的现象.文献［4］在SiO2基质材料中掺杂Nb3+进行探究，最终在1 120～1 143 nm附近实现了一级自受激拉曼散射激光输出.

Yb3+离子由于其宽阔的吸收带和散射带以及可忽略不计的浓度淬灭特性［5］，故可用于制备特殊波长的激光光源、激光遥感以及非线性频率转换（变频）等.为探究拉曼激光，本文尝试采用磷硅酸盐这种较常用的基础材料进行研究，该材料具备声子能量高、拉曼增益强的特点，相比于锗硅酸盐，其频移量（P=O的振动频移量为1 300 cm-1；P-O-Si的振动频移量为1 160 cm-1［6-7］）能够减少级联腔的个数，大大提高实验效率.此外，磷硅酸盐材料对Yb3+离子具有很高的溶解度，也是其成为研究拉曼激光器首选材料的理由之一.微球腔具备WGMs（耳语回廊模式），该特点在一定条件下使能量相互叠加、增强并将其压缩在极小的区域内，致使微球腔具有非常高的品质因子和极小的模式体积，所以本文选择微球腔与光纤锥耦合系统来探究掺Yb3+磷硅酸盐微球腔的拉曼特性，极大程度地改善了一直以来困扰着拉曼光纤放大器实验现象的两个问题：一是在玻璃光纤中放大的低效性，二是泵浦光需要集成简便、价格便宜和高效率转化［8］.

在本研究中，同一掺杂微球腔分别于1 237.7 nm和1 269.6 nm，即O波段附近，获得了下转换激光输出，而且均只通过一级拉曼过程（频移量分别为1 164 cm-1和1 343 cm-1），最终通过四级级联拉曼过程实现了在1 320 nm附近自激发拉曼激光的输出.

1 实验

1.1 材料及仪器

所用材料均为分析纯，使用前未进一步纯化.快速节能升温炉（型号KSX2）；976 nm半导体激光器；PMT200～660nm以及OSA600～1700nm.

1.2 材料及合成

采用传统的高温煅烧法制备了组分为55.93P2O5-3.57Al2O3-15Na2CO3-20SiO2的磷硅酸盐玻璃，稀土材料Yb2O3（99.9%分析纯）同样作为原材料掺入其中.将研磨混合均匀的质量为6.532 g的粉末放入带盖刚玉坩埚中，放置在快速节能升温炉（型号KSX2）内升温至1 450℃，加热熔融1 h.然后，取出坩埚，用玻璃棒（直径3～4 mm，长度为10 cm）沾取熔融玻璃溶液，迅速拉制成丝（直径为20～100 μm）.最后，将拉制成丝的掺Yb3+磷硅酸盐玻璃丝的一端进行电极放电，在表面张力的作用下形成直径范围为50～170 μm的微球腔.实验中，采用976 nm半导体激光器作为泵浦光源，利用双熔锥光纤（由标准单纵模光纤熔融拉伸而成，实验中充当耦合器，可将光功率耦合入并耦合出微球腔，双熔锥光纤束腰半径为2.5 μm，插入损耗为0.36 dB）耦合微球腔探究掺Yb3+磷硅酸盐微球的拉曼特征.

图1 实验测试装置示意图

2 结果与讨论

区别于依靠能级间受激电子的跃迁而制备的传统激光器，拉曼激光器则是根据受激拉曼散射现象产生的.拉曼散射现象是当频移量与相邻拉曼斯托克斯能级间的分离能量相同时产生的，而受激拉曼散射则只有当泵浦激光光强到达一定程度时，其自身的能量可以作为一个泵浦源激发下一级的受激拉曼辐射的情况下才会产生.

本实验中观测到三种磷硅酸盐典型的拉曼频移量.如图2所示，我们使用976 nm半导体激光器抽运直径为108 μm的掺Yb3+磷硅酸盐微球腔，当抽运功率达到8.758 mW时，产生边模抑制比为38.75 dB，中心波长为1 237.7 nm的单纵模激光，拉曼频移量为1 164 cm-1，对应于P-O-Si分子键的振动［7］，只通过一级拉曼级联过程，实现位于1 240 nm附近的激光输出，对于制备位于第二通讯窗口的激光器具有重要意义.

众所周知，腔内增益随着泵浦功率的增大而增大，本文中，当泵浦光源抽运同一掺杂微球、功率增加到9.948 mW时，在1 269.6 nm（O波段范围）处产生增益为25.56 dB的自激发拉曼激光，具体如图3所示.该自激发拉曼激光的产生是由于P=O双键的振动导致的［7］，拉曼频移量为1 343 cm-1，符合磷硅酸盐材料的拉曼频移量.实验中，由于处在1 269.6 nm同1 237.7 nm的激光均从同一级下转换激光（Yb3+（2F5/2→2F7/2）的振荡激光）处获得增益，故最终导致1 237.7 nm激光输出受到抑制，甚至消失［9］.KARPOV V I等［10］和 DIANOV E M等［11］报道的利用磷硅酸盐光纤来测得的自激发拉曼激光的阈值远远高于本实验，这归功于本文中微球腔所具备的耳语回廊模式.

图2 抽运功率为8.758 mW时，直径为108 μm的掺Yb3+磷硅酸盐微球腔测得的自激发拉曼激光光谱

图3 抽运功率为9.948 mW时，同一直径为108 μm的掺Yb3+磷硅酸盐微球腔测得的自激发拉曼激光光谱

本研究测量了另一直径为124 μm的掺Yb3+磷硅酸盐微球腔.当泵浦功率达到10.056 mW时，可观察到的下转换波长覆盖范围为1 080～1 120 μm，并没有延伸到O波段，如图4所示.这说明，以上研究为掺Yb3+磷硅酸盐微球中Yb3+离子的下转换激光自激发产生结果，并非直接由976 nm激光泵浦产生.

图4 泵浦功率为10.056 mW时，直径为124 μm掺Yb3+磷硅酸盐微球腔测得的下转换激光光谱

本研究也测得了一个四级自激发级联拉曼过程，同样将波长延伸至O波段（1.3 μm附近）.在976 nm半导体激光器抽运作用下，当功率达到6.657 mW时，可获得如图5所示光谱.图中所涉及的四级斯托克斯频移分别是344 cm-1、281 cm-1、490 cm-1、460 cm-1，均来自Si-O-Si键的振动.该图中波长可以延伸至1 332 nm，这与HUANG Y等［12］文中的基础材料为SiO2的拉曼现象非常接近.

图5 泵浦功率为6.657 mW时，直径为104 μm的掺Yb3+磷硅酸盐微球腔四阶级联拉曼光谱

O波段是低损耗光通讯的第二窗口，在制备非线性光学放大器和依据非线性效应实现任意波长转化领域具有巨大的潜在应用价值［13-18］.本实验利用前一级的斯托克斯光作为下一级斯托克斯光的激发光源来获得级联拉曼激光进行探究，相较于传统的激光器而言，具有结构简单、使用方便的特点.此外，结合本研究的基质材料特点，通过磷硅酸盐典型的拉曼频移量，大大提高O波段下转换激光的输出过程.

3 结论

本研究采用传统的高温煅烧法制备了掺Yb3+磷硅酸盐微球，采用具有紧凑和高效特性的锥光纤与微球腔耦合系统来探究该掺杂微球腔，在较低泵浦激光抽运作用下，获得了下转换拉曼激光.相较于传统的以SiO2作为基质材料的实验探究，如李强龙［19］、黄玉［20］等报道了磷硅酸盐具备较大频移量和对Yb3+可忽略不计的浓度淬灭等特点，是探究O波段拉曼激光的首选材料，可以极大程度地降低级联拉曼过程，提高实验效率.黄衍堂等［4］同样通过掺杂微球腔探究下转换自激发拉曼激光，但对比而言，本研究中不仅实现了由于Si-O-Si键振动产生四级级联拉曼过程的位于O波段内的自激发下转换激光，最终在1 332 nm附近实现激光输出；由于Si-O-P键和P=O双键的振荡分别在1 237.7 nm和1 269.6 nm处获得了自激发级联拉曼激光，减少了级联拉曼过程，提高了实验效率.本文首次在掺Yb3+磷硅酸盐微球腔中通过自激发级联拉曼激光实现在O波段附近的激光输出，对制备DWDMs及放大器提供了更便捷的可能.