《光纤气体拉曼激光原理与技术》系统阐述了光纤气体拉曼激光的基本原理、关键技术及其在多个波段的*新研究进展？《光纤气体拉曼激光原理与技术》共八章，以气体受激拉曼散射理论为基础,结合空芯光纤的*特波导结构，深入探讨了光纤气体拉曼激光器的理论仿真、耦合技术、结构设计及输出特性等内容；详细介绍了从可见光波段到近红外波段的光纤气体拉曼激光实现方案，包括574nm、1μm、1.5μm、1.7μm及2μm等多个典型波段；重点论述了空芯光纤与实芯光纤的高效耦合、谐振腔结构设计、全光纤系统集成等关键技术。

目录
第1章 绪论 1
1.1 气体拉曼激光发展历史与现状 1
1.1.1 拉曼效应的发现 1
1.1.2 拉曼效应的应用 3
1.1.3 气体拉曼激光 5
1.2 空芯光纤发展历史与现状 7
1.2.1 空芯光纤概述 7
1.2.2 带隙型空芯光纤 9
1.2.3 反共振型空芯光纤 10
1.3 光纤气体拉曼激光发展历史与现状 12
1.3.1 光纤气体激光器基本概念 12
1.3.2 基于空芯光纤的气体拉曼激光发展历史与现状 14
参考文献 22
第2章 光纤气体拉曼激光理论与仿真 28
2.1 气体SRS的基本理论 28
2.1.1 SRS基本概念 28
2.1.2 SRS过程中气体分子的能级跃迁 30
2.1.3 稳态SRS和瞬态SRS 32
2.1.4 前向SRS和后向SRS 33
2.2 单程结构光纤气体拉曼激光理论与仿真 34
2.2.1 理论模型 35
2.2.2 仿真结果与分析 36
2.3 谐振腔结构光纤气体拉曼激光理论与仿真 42
2.3.1 理论模型 42
2.3.2 仿真结果与分析 44
参考文献 48
第3章 空芯光纤与实芯光纤高效耦合技术 50
3.1 基于气体腔的空间光路耦合 50
3.1.1 基于透镜的空间耦合 50
3.1.2 紧凑型空间耦合 51
3.1.3 气体腔结构与制备 54
3.2 空芯光纤端帽耦合 57
3.2.1 空芯光纤端帽的制备 57
3.2.2 非制冷的端帽耦合实验 61
3.2.3 制冷的端帽耦合实验 71
3.3 光纤拉锥耦合 75
3.4 熔接耦合 77
参考文献 80
第4章 可见光及1μm波段光纤气体拉曼激光 84
4.1 574 nm光纤气体拉曼激光 84
4.1.1 实验系统 84
4.1.2 实验结果与分析 86
4.2 1 μm波段光纤气体拉曼激光 90
4.2.1 实验系统 90
4.2.2 实验结果与分析 93
参考文献 96
第5章 1.5μm波段光纤气体拉曼激光 97
5.1 单程结构1.5μm波段脉冲光纤气体拉曼激光 97
5.1.1 实验系统 97
5.1.2 乙烷拉曼实验结果与分析 102
5.1.3 甲烷拉曼实验结果与分析 109
5.2 放大器结构1.5μm波段脉冲光纤气体拉曼激光 115
5.2.1 实验系统 115
5.2.2 实验结果与分析 117
5.3 高功率1.5μm波段连续波光纤气体拉曼激光 129
5.3.1 实验系统 129
5.3.2 实验结果与分析 131
参考文献 133
第6章 1.7μm波段光纤气体拉曼激光 134
6.1 准全光纤结构单程1.7μm波段光纤气体拉曼激光 134
6.1.1 实验系统 134
6.1.2 氢气拉曼实验结果与分析 138
6.1.3 氘气拉曼实验结果与分析 144
6.2 全光纤谐振腔结构1.7μm波段光纤气体拉曼激光 146
6.2.1 实验系统 146
6.2.2 氢气拉曼实验结果与分析 150
6.2.3 氘气拉曼实验结果与分析 160
6.3 六氟化硫光纤气体拉曼激光 174
6.3.1 实验系统 174
6.3.2 实验结果与分析 175
参考文献 183
第7章 2μm波段光纤气体拉曼激光 184
7.1 单程结构1.9μm光纤气体拉曼激光 184
7.1.1 实验系统 184
7.1.2 实验结果与分析 186
7.2 放大器结构1.9μm光纤气体拉曼激光 199
7.2.1 实验系统 199
7.2.2 实验结果与分析 200
7.3 2.2 μm光纤气体拉曼激光 204
7.3.1 实验系统 204
7.3.2 实验结果与分析 207
参考文献 217
第8章 后记 219
参考文献 222

第1章绪论
　　本章系统回顾与梳理光纤气体拉曼激光技术所涉及的核心要素与发展脉络。*先介绍气体拉曼激光的发展历史与现状，阐述其物理基础与广泛应用。随后聚焦空芯光纤的发展历程与现状，论述其在光与气体介质相互作用方面所具备的*特优势。*后介绍光纤气体拉曼激光的发展历史与研究前沿，展现气体拉曼和空芯光纤两种技术融合的巨大发展潜力。
　　1.1气体拉曼激光发展历史与现状
　　1.1.1拉曼效应的发现
　　1921年，印度物理学家拉曼（Raman）在赴英航行途中，通过自主设计的简易光学装置对海水颜色展开实验探究。他对瑞利提出的“海水蓝色源于天空反射”的**理论提出质疑，通过尼科尔棱镜沿布儒斯特角观察从海面反射的光线，以消除天空蓝光干扰，结果发现海水呈现比天空更深的蓝色，且其光谱峰值明显蓝移。这一现象使拉曼推断：海水颜色的本质源自水分子对光的散射作用，与天空的颜色无关。他在回程的轮船上写了两篇论文来讨论这一现象，并在旅行期间寄往英国发表。回国后，拉曼在印度科学教育协会组建研究团队，系统考察不同物态、压强及温度条件下各类介质的散射规律。1922年，拉曼在《光的分子衍射》中总结了这项研究。1923年，拉曼的学生拉玛纳桑*次在实验中发现光散射的颜色改变现象：当太阳光经紫色滤光片处理后，照射纯水或酒精样品时，从侧面检测到微弱的绿色散射信号。拉玛纳桑将其归因于杂质产生的“弱荧光”，但拉曼对此提出质疑，如果是杂质的荧光效应，样品提纯后应该能消除这一效应。在随后的两年中，拉曼的另一名学生克利希南在提纯后的65种液体中都观察到了类似的“弱荧光”，并且发现这种“弱荧光”具有部分偏振的特性，证明了该现象不是杂质的荧光导致的。
　　1924年，拉曼到美国访问期间，正值康普顿在实验中发现X射线散射后波长变长的效应，这给拉曼带来了重要的启示，他还将自己的发现看作“康普顿效应的光学对应”。1928年，拉曼采用单色光作为光源，通过目测分光镜在蓝绿光区域发现了两条以上的瑞利谱线，除了比入射频率低的散射线，还观察到比入射频率高的散射线，但强度更弱，这一结果直接证明光子与分子发生了能量交换，后来人们将这个新的现象称为拉曼散射。1930年，美国光谱学家武德将散射光的低频部分称为斯托克斯（Stokes）谱线，高频部分称为反斯托克斯谱线。
　　拉曼散射的发现，开启了拉曼光谱学的大门。1962年，伍德伯里和恩戈使用硝基苯液体作为克尔盒的开关，进行红宝石激光器的调Q实验，意外发现了受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）现象。他们观察到，输出光中除了694.3nm的谱线，还存在一条波长为767nm新谱线。经过深入研究，确认这条新谱线属于硝基苯的一阶斯托克斯拉曼散射谱线，且随着泵浦（pump）光源功率（泵浦功率）的增加，其强度显著增强，且具有良好的相干性和方向性。
　　SRS的机理可以理解为SRS中相干的入射光子主要不是被热振动声子散射，而是被受激声子散射。受激声子的产生过程是：*初一个入射光子与一个热振动声子碰撞，产生一个斯托克斯光子，同时增加一个受激声子；当入射光子再与这个受激声子碰撞时，在产生一个斯托克斯光子的同时，又增加了一个受激声子。如此循环往复，形成了一个产生受激声子的雪崩过程。产生受激声子过程的关键是要有足够多的入射光子，由于受激声子所形成的声波是相干的，入射光是相干的，因此产生的斯托克斯光也是相干的。
　　SRS不同于自发拉曼散射，具有类似于受激辐射的特点，主要包括以下几点：
　　（1）阈值性。自发拉曼散射不具有阈值性，不管入射光强度多低，自发拉曼总会产生，散射强度与入射光强呈现线性变化。而只有当入射激光的强度达到一定强度后，SRS才会产生，且散射光强度与入射光强度呈现非线性关系。
　　（2）高强度。SRS具有较高的转化效率，可以将一束高强度的泵浦光转化为另一束高强度的相干辐射光源。入射光达到拉曼阈值以后，拉曼强度便迅速增加，随入射功率的增加而呈指数倍增长。
　　（3）方向性。SRS具有很好的方向性，这是SRS区别于自发拉曼散射的重要标志，SRS光主要发生在入射激光的前后方向上，而自发拉曼散射光是朝着四面八方发散的。
　　（4）单色性。类似于激光产生过程中的受激辐射，当满足SRS的阈值条件时，斯托克斯光或反斯托克斯光会在特定的频率下受激放大，SRS光谱宽可达到与入射激光单色性相当或更窄的程度。
　　（5）多重谱线输出。高能量激光泵浦、激光与拉曼介质相互作用距离较长、介质的拉曼增益系数较大时，可以得到多条斯托克斯和反斯托克斯谱线的同时输出，这些谱线都具有相同的频率间隔。
　　（6）无波长选择性。对于受激辐射，分子只能吸收特定波长的光，辐射出另一束特定波长的光，而SRS对入射光的波长没有选择性，任意波长的光入射并通过分子发生SRS，都能产生一个固定的频移，且输出另一波长的光，因此SRS是光波频率转换的一种重要手段。
　　1.1.2拉曼效应的应用
　　SRS具有多谱线输出的特性，能够实现入射激光频率红移，输出多条频率间隔相等的高阶斯托克斯拉曼激光，同时能够实现入射激光频率蓝移，输出多条频率间隔相等的高阶反斯托克斯拉曼激光。因此，由SRS过程输出的N阶斯托克斯拉曼激光和N阶反斯托克斯拉曼激光，可以用来实现多光谱激光光源的构建，这种多谱线的激光输出，可广泛应用于激光成像、差分雷达探测、光谱分析和激光加工等方面。
　　1.激光成像
　　激光成像是指利用激光束扫描物体，接收光束的反射信号，得到不同的排布顺序，实现成像效果。成像技术通过高密度和空间参考采样来测量一个或多个物理参数，从而提供体积或表面的表征；然后通过一组图像显示测量结果，即超立方体，每个图像都与上述参数有关。多光谱成像（multispectral imaging，MSI）是指在从紫外、可见光到近红外，乃至中红外的光谱波段范围内，利用多光谱光源对成像对象的光谱反射因子进行表征［1］。MSI利用多光谱激光作为成像光源，能够同时获取多个波段的光谱信息，相较于单光谱光源每次仅检测单一波段信息的成像，其极大丰富了获得的光谱图像信息，减少了采集时间。同时，对于不同的大气窗口透过率，多光谱激光光源可以实现在可见光、近红外，乃至中红外波段范围内的成像效果，能够同时满足各个光谱波段的成像要求。
　　2007年，Carcagnì等提出了一种扫描系统［2］，通过16dot／mm2的空间分辨率和10nm的光谱分辨率，扫描面积为1m2的区域；并对彩色瓷砖进行光谱反射因子的测量，再将结果与相应的认证值进行比较，用于在380～800nm光谱区域内对油画MSI，从而达到克服电荷耦合器（chargecoupleddevice，CCD）或视像管等传统检测系统在成像上的不足。2016年，Senni等报道了一种基于四种波长实现多光谱近红外激光成像的食品检测设备［3］。该监测设备设计为在直通式配置下运行，包装或未包装样品中存在的异物都可以被检测出来。
　　2.激光雷达
　　激光雷达是一种先进的非接触式、高精度三维测绘成像手段，获取地表三维数据时，其便捷、快速和高效的优点非常明显［4］。使用多光谱激光作为激光雷达的发射光源，可以在获得目标物体三维数据的同时，采集到目标接收不同波段激光后返回的光谱特性，利用MSI技术提升了激光雷达在物性探测分类和状态上的性能。另外，用于探测大气中各组分物质浓度的差分吸收激光雷达（differential absorption lidar，DIAL）也需要多光谱激光作为发射光源，通过探测大气特征气体（如臭氧、碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、水汽等）对不同波长激光吸收能力的差别，对其进行浓度的精准探测。
　　2018年，Ekhtari等报道了一篇对多光谱机载激光扫描仪的检测能力研究［5］。该扫描仪将多光谱点云直接分类为十个土地覆盖类别，包括草、树木、两类土壤、四类路面和两类建筑。通过扫描仪同时收集三种不同激光波长的点云，验证了仅使用激光雷达数据进行土地覆盖分类的可能性。中国科学院安徽光学精密机械研究所的岳古明等则报道了利用多光谱激光光源系统探测大气中多种微量成分分布的研究［6］。其介绍了一种多波长同时输出激光系统，并将该系统成功应用于激光雷达，获得了合肥地区大气气溶胶、臭氧、水汽和温度的廓线。Nakazato等则利用266nm的Nd∶YAG四倍频激光泵浦CO2气体，输出的287nm和299nm多光谱拉曼激光作为紫外光源，用于大气层中臭氧气体的DIAL探测［7］。其研究结果可探测对流层中高度400m到10km的臭氧浓度分布，统计误差在1.5km内小于5%，在2.6km内小于10%。该紫外多光谱DIAL具有高稳定性与操作便捷性等优势，在加入更多谱线的光源（如532nm和1064nm激光）后，还可将其用于大气中气溶胶密度分布的探测。
　　3.生物医疗
　　当激光光束入射到人体组织中时，由于不同的组织成分（如水、黑色素和血红蛋白等）对不同波长激光有不同的吸收率，因此不同波长激光穿透人体组织的效果也存在差异，对组织所产生的作用也各不相同。将多光谱激光光源应用于生物医疗，通过调节，选择不同的激光波长与特定的功率密度照射不同的生物组织，可应用于多种病变组织的切除、体内组织的成像探测，乃至皮肤美容等多方面的医学诊断及治疗方向。
　　2002年，天津大学的宁喜发等报道基于Nd∶YAG固体激光器输出1064nm、1319nm的双波长激光与532nm、659nm的四波长倍频光的治疗方案研究，展示了一种非侵入性图像引导激光微治疗的新方法［8］。Tsai等在2016年报道了基于双波长光纤激光光源和光纤集成多模态系统，用于无创图像引导激光显微治疗方案［9］。1.55μm和1.2μm的光纤光源集成到多模态系统中，用于同时进行成像和激光微处理，即在位于1.2～1.35μm的皮肤生物渗透窗口内，使用1.2μm激光光源进行光谱域光学相干断层扫描成像；而1.55μm激光光源位于人体水分子的高吸收波段内，可用于激光显微外科手术。这种新方法结构简单，可精确控制激光显微外科手术的位置和曝光时间，在未来的临床应用中具有广阔的前景。
　　1.1.3气体拉曼激光
　　气体拉曼介质，如H2、D2、CH4和N2等，已广泛应用于SRS激光的输出研究［1012］。早在1986年，英国的Hanna课题组就利用100ps的超短脉冲激光作为泵浦源，研究了H2、D2和CH4的SRS过程，并通过实验测量与理论计算，获得了拉曼激光输出的阈值能量［13］。这些气体材料作为SRS的介质，用于实现激光的变频，有着价格低廉、化学纯度高以及光学均匀度高等优势，同时气体分子的高频振动模式所伴随的较小的光谱展宽（10-3～10-1cm-1）以及较大的拉曼频移（775～4155cm-1），使气体介质具有较大的拉曼散射截面。然而气体分子较低的粒子数密度使其拉曼增益要远小于固体或液体介质，通常需要更大的压力，以提高其拉曼增益或是更长的相互作用距离，从而实现有效的SRS转换。传统的气体拉曼激光器用高压气体拉曼池作为容器，以提高气体拉曼激光的转化与输出。
　　20世纪90年代，Lempert等［14］和Zhang等［15］利用Nd∶YAG激光器（532nm，带宽约为1cm-1）进行了氧气的单程SRS研究，获得了约6%的能量转换效率；随后他们又利用宽带荧光种子注入的方法来提高氧气中的拉曼转换效率，其中一级斯托克斯光的能量转换效率达到了21%。郑义等［16］采用宽带倍频Nd∶YAG激光器（532nm）研究了高压氧气以及氧氦混合气体中的SRS，探索了抑制氧气中二级斯托克斯光产生的方法。吴峰等［17］采用序列脉冲倍频Nd∶YAG激光器作为基频光，研究了氧气中SRS热效应的影响，实验结果表明，重复频率的基频光产生的拉曼激光脉冲个数*多为3个，且脉冲幅值依次下降。
　　近年来，中国科学院大连化学物理研究所的Guo等报