RP 系列激光分析设计软件 | 拉曼散射

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透明光学介质对通过该介质传播的光的光强的非线性χ(3)响应非常快,但不是瞬时的。特别地,延迟的非线性响应是由晶体(或玻璃)晶格的振动引起的。当这些振动与光学声子相关时,这种效应被称为拉曼散射,而声学声子与布里渊散射相关。例如,当具有不同波长(通常具有相同的偏振方向)的两个激光束一起传播通过拉曼活性介质时,较长波长的光束(称为斯托克斯波)可以以较短波长的光束为代价进行光学放大。此外,晶格振动被激发,导致温度上升。较长波长光束的拉曼增益可用于拉曼放大器和拉曼激光器。如果斯托克斯位移对应于几个太赫的频率差,则该增益可能是相当大的。

图1示出了用于纳秒脉冲信号放大的光纤中拉曼散射的数值模拟。它表明在合适的条件下,拉曼转换可以是高效的。

图1:作为案例研究的一部分,使用RP Fiber Power软件的数值光束传播功能模拟了抛物线指数多模光纤中光功率的演变。信号波被强烈放大,而泵浦波被强烈损耗。转换过程涉及多种模式。

某些拉曼晶体最常被用作拉曼增益介质,尽管可以考虑各种玻璃(特别是光纤的形式).。

拉曼散射不仅可以发生在固体材料中,也可以发生在液体或气体中。例如,分子气体具有振动/转动激发,并且观察到的斯托克斯位移与这些相关。

拉曼效应与克尔效应一起发生,克尔效应是由电子的(几乎)瞬时χ(3)响应引起的。

光子和声子的相互作用

在拉曼散射过程中,一个泵浦光子被转换成一个较低能量的信号光子,光子能量的差异被声子(晶格振动的量子)带走。

原则上,一个已经存在的声子也有可能与泵浦光子相互作用,产生一个更高能量的光子,属于更短波长的反斯托克斯波。然而,这一过程通常很弱,尤其是在低温下。注意,如果四波混频过程是相位匹配的,则强反斯托克斯光也可以从四波混频中产生。

拉曼散射可以是自发的或受激的。当存在泵浦波但没有信号输入波(即没有信号输入光子)时,发生自发拉曼散射。它可以被认为是一种量子效应——信号场零点振荡的放大。

拉曼散射也被称为非弹性散射,因为它所涉及的光子能量损失在某种程度上类似于机械物体碰撞中动能的损失。

 

拉曼活性介质
一些典型的拉曼活性介质是:

某些分子气体,例如氢气(H2)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2),用于例如拉曼位移器的高压室

固态介质,例如玻璃纤维或某些光学晶体,例如氮化钡Ba(NO3)2,各种钨酸盐,例如KGW(=KGd(WO4)2)和KYW(=KY(WO4)2),以及人造金刚石。

级联拉曼散射
当所产生的斯托克斯波的强度变得足够高时,该波可以再次充当进一步拉曼过程的泵浦。特别是在一些拉曼激光器中,可以观察到几个斯托克斯级(级联拉曼激光器)。

超短脉冲拉曼散射
拉曼散射也可以发生在例如超短光脉冲的宽光谱内,有效地将脉冲的光谱包络向更长的波长移动(拉曼自频移,当涉及孤子脉冲时也称为孤子自频移)。

在用于强脉冲的光纤放大器等光纤设备中,拉曼散射可能是有害的:它可以将大部分脉冲能量转移到不会发生激光放大的波长范围内。图2显示了一个示例案例的模拟。这种效应会限制这种器件可达到的峰值功率。

图2:光纤放大器中脉冲频谱的演变。在右端附近,很大一部分功率通过受激拉曼散射转移到更长波长的分量中。作为案例研究的一部分,使用RP Fiber Power软件进行了仿真。

更多关于不想要的拉曼散射
即使在连续波高功率光纤激光器和放大器中,拉曼散射也是一个问题。然而,对于这些问题,有各种各样的解决方案,包括啁啾脉冲放大和使用特殊的光纤设计(参见例如[9]),其通过衰减拉曼偏移波长分量来抑制拉曼散射。
在块状介质中,如某些非线性晶体材料,如果泵浦强度较高且光束宽度足够大,即使通过非共线位相匹配,也可能产生不想要的受激拉曼散射。这可能发生在例如用强泵浦脉冲操作的光学参量发生器中。

拉曼光谱
拉曼散射可用于拉曼光谱学。特别地,它可以研究固体材料的振动模式和分子的振动/旋转状态。

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