倾斜光栅，不止于拉曼抑制

基本概念

对于高功率光纤激光器而言，限制其高功率输出的影响因素主要有非线性效应产生的斯托克斯光（拉曼光）和横向模式不稳定（TMI）等，倾斜光栅主要针对前者进行拉曼抑制以提高拉曼抑制比SRS。为什么要提高激光器的拉曼抑制比？针对1080nm光纤激光器而言，其一级斯托克斯光波长在1135nm。这个波长对于工业加工来说属于不受欢迎的、有害的副产品。主要原因：

一方面，由于这个波长更长，光子能量低，相当于整个系统中的能量转换利用效率有一定的下降。pump光能量转化的量子亏损大，量子亏损大意味着就有部分能量最终必然会产生废热（转化为光纤内部的晶格振动）。而且由于拉曼成分也会竞争一部分主信号的能量，也会一定程度上降低谐振腔的输出效率。

另一方面，对于金属材料的吸收，这个波长的吸收率远低于主信号波长1080nm。吸收效率低不仅不利于工艺加工，而且如果被工件反射耦合回到激光器里就会进一步被增益放大，如此恶性循环。此外我们在切割头等光路传输途中的镜片镀膜上，也主要是针对主信号波长进行设计和优化的，长波长的光谱成分在透过率上可能会略有下降。

总之，激光器厂家会把在高功率光纤激光器中提高拉曼抑制比作为一项主要的任务之一。至于怎么去提高拉曼抑制比？方法很多，诸如尽量缩短光纤长度或者采用后向泵浦方案，甚至可以去优化pump波长提高谐振腔后端的吸收效率等都可以一定程度上降低拉曼成分，但最简单直接的还是采用拉曼抑制光栅RSS（这里也有人说是倾斜光栅TFBG的）。

如下图，是倾斜光栅的简单工作机理：

与普通的FBG相似，纤芯传输的激光在遇到周期性的折射率调制区域之后，由于每一个“纤芯刻槽”都形成一个折射率突变界面，光在遇到这个界面后由于菲涅尔反射发生微弱的反射，多个折射率突变界面产生的反射光如果被栅距调制到相位匹配后（这里特指对1135nm拉曼光进行相位调制），那此时它们每个微弱的反射光之间会相干加强（波峰对波峰/波谷对波谷）。相干加强说明此区域的能量增强，但因为能量是守恒的，光栅将能量“束缚”于此，那么“穿透”光栅的能量就相应降低了，这就是对光栅反射的简单理解。倾斜光栅的主要特点就是这个折射率突变界面（光栅刻痕）是与纤芯方向呈一定的角度，这样经光栅反射的拉曼光角度就不会垂直反射回去而是向光纤包层耦合进入包层反向传输。进入包层的这些拉曼光其实就是被“滤除”掉了，因为一部分会被涂覆层等吸收以热量的形式耗散掉，就算没被吸收完全也会反向被光路中的剥模器CMS过滤掉。当然不满足相位匹配的主信号波长会正常穿过RSS。

实际应用

回到今天的主题，为什么我想说拉曼光栅不仅仅是简单的过滤拉曼光成分这一表象作用呢？其实是想说它在提高激光谐振腔的抗回返光能力上的重要作用。

正如上文所说，如果想单纯的提高激光器输出的拉曼抑制比SRS的话，采用反向泵浦、缩短光纤等手段也可能比较明显的降低拉曼成分。但问题就在于激光器抗高反的能力上：我们虽然可以将原始的输出拉曼光抑制的很小，但架不住它只要有一点点被反射回去就会在腔内被大量的增益。尤其是在实际生产中，光纤的熔接、模块之间的空间布局，甚至客户对传输光纤特定的长度需求等都不可能将传输光纤长度无限地降低。光纤长度稍长一些，这个反射回去的增益就更明显，甚至比原拉曼抑制比大小的影响更大。所以这就不得不考虑使用拉曼抑制光栅，它可以有效的降低每一次经过它的拉曼光含量，让系统的拉曼成分总能保持一个很低的含量，不至于回到腔内产生大量的增益、甚至出现二级拉曼的恶劣情况。只要初始拉曼成分控制好，且在后续被反射回去后也能有效的抑制二次拉曼增益的话，那激光器的抗回返能力就很高了。

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