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拉曼增益

受激拉曼散射产生光学增益

拉曼增益（Raman gain）是指由受激拉曼散射产生光学增益。

背景
拉曼光纤放大器由于具有全波段放大、低噪声、可以抑制非线性效应和能进行色散补偿等优点引起人们广泛关注，现已逐步走向商用。拉曼光纤放大器主要用做分布式放大器，辅助EDFA 在未来进行信号放大，也可以单独使用，放大EDFA不能放大的波段，同时克服了EDFA级联噪声大及放大带宽有限等缺点。拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已得到承认；在城域网中，拉曼光纤放大器也有其利用价值。通信波段扩展和密集波分复用技术的运用用，给拉曼光纤放大器带来了广阔的应用前景。
详解
拉曼增益是由受激拉曼散射产生光学增益。当具有高光强的泵浦光入射时，不论在透明固体介质（如光纤）还是在液体或气体介质中都有可能发生。利用这个可以用来制作拉曼放大器和拉曼激光器。
增益的大小依赖于泵浦光和信号光之间的频率偏移，泵浦的波长以及材料的性质。和稀土掺杂增益介质相比，拉曼增益需要更高的泵浦强度和更长的相互作用距离，并且具有不一样的饱和特性和依赖于泵浦光的波长的增益谱。
数学表达
由受激拉曼散射导致的的窄带泵浦波和斯托克斯位移波（具有较低的光学频率）之间的相互作用可以通过以下方程来描述：
其中 和 是光强（以W/m的单位）， 和 的两个光的频率， 是拉曼增益系数（对于石英光纤为10m/ W的量级）。这两个光束假定是完全重叠并且在z方向上传播的。当然，其他方面的影响也需要根据情况被被添加到等式中，如自发拉曼散射和线性传播损耗。
该方程表明，斯托克斯波经历了增益系数为 的放大，而泵浦光失去了更多的能量。这是因为，一个泵浦光子被转换成一个斯托克斯光子（低能量）和一个声子。声子能量对应于光子能量的差异。这个丢失的光能量被转换成热能。
拉曼增益系数主要取决于在光频率的差，但也受到泵浦波长和偏振方向的影响。图1示出了石英的拉曼增益对于频率差的函数，假设两个光束的具有相同的线性偏振。当频率偏移为13.2THz时拉曼增益具有最大值。例如，一个波长为1064nm的泵浦光会在1116nm处具有最大的拉曼增益。在拉曼光谱中的峰对应于石英材料本身的某些振动模式。
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