CN102544999A - 基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器及产生方法 - Google Patents

Abstract

基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器及其轴对称偏振激光光束产生方法，利用少模光纤光栅特殊的波长--横模对应特性，在光纤谐振腔内结合波长选择器件，实现轴向偏振激光光束输出。该激光器主要包括泵浦源、增益介质、波长选择组件和含有少模光纤光栅的模式选择组件。本发明输出具有高偏振纯度、单波长窄线宽、方便实现径向偏振激光和角向偏振激光可控切换等特性。本发明没有任何空间耦合器件参与其中，结构上更加稳定，便于移动和产品化，是真正意义上的全光纤轴对称偏振光束激光器。

Description

基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器及产生方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是涉及少模光纤光栅的全光纤结构轴对称偏振光束激光器及偏振激光光束产生方法。

背景技术

轴对称偏振态是一种有别于普通偏振特性的一种特殊偏振态，它的偏振态是围绕光束中心对称分布的，一般有两种：径向偏振(如图5所示)和角向偏振(如图6所示)。轴对称偏振光束的能量分布上也有别于一般的激光光束，其能量分布为环状，光束中心为能量分布的零点。

轴对称偏振光束的特殊偏振分布特性使得它在很多领域都有特殊的优势，尤其是径向偏振光。在激光光镊，激光加工，近场光学，高密度光存储等领域都有非常好的应用。

目前所报道的轴对称偏振激光器大多数都是空间结构的激光器，个别全光纤的结构的轴对称偏振激光器也没有避免空间耦合过程，这样便携性就大打折扣；而且这些激光器对于激发轴对称偏振光束的输入激光功率要求很高；此外，由于空间结构的引入，这些激光器的输出稳定性也不是很好。

发明内容

本发明的技术解决问题：为了克服背景技术中所述缺陷，本发明提供一种基于少模光纤光栅的全光纤结构轴对称偏振光束激光器和轴对称偏振激光光束产生方法，便携性和稳定性好，并且由于少模光纤光栅对于模式的选择作用，输出光束的模式纯度较高。

本发明技术解决方案之一：基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器，包括：泵浦源、增益介质、波长选择组件、模式耦合部分及模式选择组件，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；

所述增益介质为稀土掺杂光纤，两端分别和波长选择元件及模式耦合部分相连，在泵浦源激光的激发下发生受激辐射产生激光，其模式为基模；

所述波长选择组件，为单模光纤光栅或者宽带反射器件和带通滤波器组合所述单模光纤光栅与波分复用器一端相连；所述的带通滤波器分别和宽带反射器与波分复用器的另一端相连；同时，单模光纤光栅或宽带反射器作为全光纤轴对称偏振光束激光器的一个腔镜；所述单模光纤光栅的反射波长和带通滤波器的组合的透射波长均与少模光纤光栅的基模反射波长相同，以此来控制全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振波长与少模光纤光栅的基模反射波长相同；

所述模式耦合部分，由稀土掺杂光纤与少模光纤光栅所连接的少模光纤错位熔接构成，或是由稀土掺杂光纤续接的单模光纤与少模光纤光栅所连接的少模光纤错位熔接构成，所述模式耦合部分两端分别与稀土掺杂光纤和模式选择组件相连，将稀土掺杂光纤产生的基模一部分转化为一阶高阶模，另一部分保留为基模，也就是基模光经过该模式耦合部分后变为基模和一阶高阶模的混合模式，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；

所述模式选择组件，用于选择和调整输出光束的横模特性，它由偏振控制器和少模光纤光栅组成，少模光纤光栅续接的少模光纤穿过偏振控制器与模式耦合部分相连；所述少模光纤是指允许除了基模之外，还允许一阶高阶模式传输的光纤；所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，对于少模光纤光栅，一阶高阶模与基模在该少模光纤光栅上的反射波长不同；当激光谐振波长和少模光纤光栅的基模反射波长相同时，由稀土掺杂光纤产生的基模激光每次经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模满足反射条件而被反射回腔内作为谐振模式，而一阶高阶模由于不受少模光纤光栅的限制而成为输出模式，少模光纤光栅与波长选择组件共同作用保证输出光束单波长窄线宽特，并通过述偏振控制器挤压和拧转光纤来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

基于少模光纤的全光纤轴对称偏振光束激光光束产生方法，实现如下：由泵浦源输入连续激光，激励增益介质工作产生基模激光，从增益介质产生的基模激光每次经过模式耦合部分，一部分被耦合为一阶高阶模式，一部分保留为基模，形成两者的混合模式；所述的模式耦合部分由两段光纤错位熔接构成的，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；波长选择组件控制激光器谐振波长处于少模光纤光栅的基模反射波长位置，经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模被反射回腔内继续谐振，而一阶高阶模式由于不受少模光纤光栅的限制而全部输出，并且通过调节偏振控制器使出射的光束在径向偏振和角向偏振切换；所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，对于少模光纤光栅，一阶高阶模与基模在该少模光纤光栅上的反射波长不同。

本发明技术解决方案之二：基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器，包括：泵浦源、增益介质、波长选择组件以及模式选择组件，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；

所述增益介质，为少模稀土掺杂光纤，所述的少模稀土掺杂光纤是指满足基模和一阶高阶模运转的稀土掺杂光纤；在泵浦激光的激发下发生受激辐射产生激光，在全光纤轴对称偏振光束激光器谐振之前，该激光的模式为基模和一阶高阶模的混合模式，在该全光纤轴对称偏振光束激光器谐振之后，该激光的模式全部为一阶高阶模式，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；

所述波长选择组件，是可以支持一阶高阶模运转的带通滤波器，带通滤波器两端分别与少模稀土掺杂光纤及模式选择组件相连接，带通滤波器的透射波长和少模光纤光栅的一阶高阶模式反射波长相同，用以控制激光器的谐振波长与少模光纤光栅的一阶高阶模的反射波长相同；

所述模式选择组件，由偏振控制器和两个相同少模光纤光栅组成，所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅；所述第一个少模光纤光栅，一端和波分复用器公共端相连，另一端与少模稀土掺杂光纤相连，作为该全光纤轴对称偏振光束激光器的一个腔镜；第二个少模光纤光栅一端与带通滤波器相连，另一端作为该全光纤轴对称偏振光束激光器的输出腔镜，偏振控制器加载于少模光纤光栅续接的少模光纤上；全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振波长被控制在一阶高阶模反射波长位置，每次循环一阶高阶模都被少模光纤光栅大量返回形成反馈增强，而基模被带通滤波器衰减，经过多次循环后，一阶高阶模式占有增益竞争优势，成为全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振模式，此时全光纤轴对称偏振光束激光器腔内只存在一阶高阶模，不存在基模，此时由输出腔镜出射的都为一阶高阶模式，并通过偏振控制器挤压和拧转光纤，来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

基于少模光纤的轴对称偏振激光光束产生方法，泵浦源通过波分复用器向增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生基模和一阶高阶模混合模式激光，所述一阶高阶模式包含径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；波长选择组件控制激光器谐振波长处于少模光纤光栅的一阶高阶模反射波长位置；在全光纤轴对称偏振光束激光器初始循环中，从增益介质中产生的混合模式激光中的一阶高阶模式被少模光纤光栅返回腔内，基模透射损耗；经过多次循环，一阶高阶模式处于反馈机制中的优势而成为激光器的谐振模式，整个全光纤轴对称偏振光束激光器腔内谐振的模式为一阶高阶模式，此时从输出腔镜出射的都为一阶高阶模式；并且可以通过调节偏振控制器使出射的光束在径向偏振和角向偏振切换。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中利用少模光纤光栅的波长-横模对应特性，在光纤谐振腔内结合波长选择器件，实现轴向偏振激光光束输出，且输出具有高偏振纯度、单波长窄线宽、方便实现径向偏振激光和角向偏振激光可控切换等特性。相比于现有的轴对称偏振光束激光器及产生方法，本发明没有任何空间耦合器件参与其中，结构上更加稳定，便于移动和产品化，是真正意义上的全光纤轴对称偏振光束激光器。

附图说明

图1为本发明全光纤轴对称偏振激光器实施例1的结构示意图；

图2为本发明全光纤轴对称偏振激光器实施例2的结构示意图；

图3为本发明全光纤轴对称偏振激光器实施例3的结构示意图；

图4为本发明TM₀₁模式对应的横模场光强分布和偏振分布图(径向偏振)，其中箭头标识为偏振方向；

图5为本发明TE₀₁模式对应的横模场光强分布和偏振分布图(角向分布)，其中箭头标识为偏振方向；

图6为本发明失谐耦合和错位熔接的结构示意图。

具体实施方式

在叙述实施例的具体结构和内容之前，对光纤及光纤光栅模式理论进行必要的简述，尤其对于少模光纤和少模光纤光栅进行必要的解释。

所谓少模光纤是有别于只能支持基模(HE₁₁)在其内部较小损耗传输的单模光纤，它还可以支持一些更高阶次的横模(TM₀₁，TE₀₁等)作为导模传输，所述的TM₀₁模式和TE₀₁模式的强度分布和偏振分布对应于图4和图5，分别为径向偏振模式和角向偏振模式。

对于少模光纤，归一化频率(V)是一种较好的描述：

$V=\frac{2\mathrm{\πa}\·\mathrm{NA}}{\mathrm{\λ}}$

其中a为光纤纤芯半径大小

NA为光纤数值孔径大小

λ为传输光的波长

当V＜＝2.405时，该光纤为单模光纤；当V＞2.405时，该光纤为少模或者多模光纤。本发明中所实现的轴对称偏振光对应高阶模式其中的TM₀₁和TE₀₁模式，为了在本发明中为了保持所述模式，并抑制更高阶模式的干扰，本发明选取的光纤的归一化频率一般在2.405到3.832之间，不宜选择更大V值得光纤，这样引入干扰的模式太多。

光纤光栅是由掺锗光纤经紫外光照射成栅形成的，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布并产生布拉格光栅效应。所述的少模光纤光栅是在对于响应波长为少模光纤上刻写的光栅，举例说明：光栅周期为350nm的布拉格光纤光栅响应波长在1050nm左右，将这样的光栅刻写在对于1050nm光波为少模光纤(V处于2.405到3.8之间)上，得到的光纤光栅就是少模光纤光栅。这种光栅不局限于举例中的波长，理论上在任何波长通过选择合适的光纤和光栅周期都可以得到相应的少模光纤光栅。这种光栅有多个反射峰，有基模反射峰，也有高阶模式反射峰，且反射波长不同。

通过上面的模式理论分析，当将少模光纤中的高阶模式TM₀₁和TE₀₁过滤出来便可以得到轴对称光束输出。

本发明正是基于上面的分析，利用少模光纤光栅对不同模式的不同响应而提出的。

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

根据方案一提出了如下实施例：

实施例1：

如图1所示，半导体泵浦源11与波分复用器12相连，并通过波分复用器12为与波分复用器公共端相连的稀土掺杂光纤14注入泵浦能量，以此激发增益介质给整个激光器提供谐振能量；

单模光纤光栅13与波分复用器12的另一端相连，用于控制轴对称偏振光束激光器的谐振波长，单模光纤光栅的反射波长与少模光纤光栅的基模反射波长相同，以保证激光器谐振波长与少模光纤光栅基模反射波长相同。所述的少模光纤是指归一化频率在2.405到3.8之间的光纤，少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，其特征在于对基模和一阶高阶模反射波长不同。

模式耦合部分选用光纤错位熔接15(如图6所示)，两端分别和稀土掺杂光纤和少模光纤光栅续接的少模光纤相连。所述光纤错位熔接是将两段光纤横向错开一定距离，在本实施例中横向错开距离约为纤芯直径的一半，然后进行电弧放电使两段光纤熔接，用以将稀土掺杂光纤14产生的基模激光转化为包含基模和一阶高阶模的混合模式。通过模式耦合部分所得的混合模式(基模和高阶模)到达少模光纤光栅17时，基模由于满足反射条件被反射回激光器腔内作为谐振模式，而高阶模式由于没有受到少模光纤光栅的限制全部输出。并通过偏振控制器16挤压和拧转光纤来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

实施例2：实施例2与实施例1的基本理论相同，不同之处，波长选择组件有所改变。如图2所示，本发明实施例2波长选择组件采用宽带反射元件28和带通滤波器23的组合。其中宽带反射元件28可以使用光纤反射环镜、镀膜反射镜等，带通滤波器的透射波长与少模光纤光栅17的基模反射波长相同，以保证激光器谐振峰与少模光纤光栅的基模反射峰一致。所述少模光纤光栅和实施例1中描述相同。

泵浦源11与波分复用器12相连，并通过波分复用器12为与其公共端相连的稀土掺杂光纤14注入泵浦能量，以此激发增益介质产生激光给整个激光器提供谐振能量，带通滤波器23分别和宽带反射元件28与波分复用器12的一端相连，其中宽带反射元件28作为激光器的一个腔镜。稀土掺杂光纤14两端分别与波分复用器12的公共端和模式耦合部分15相连，模式耦合部分15选用光纤错位熔接，其描述和实施例1相同；通过模式耦合部分所得的混合模式(基模和一阶高阶模)到达少模光纤光栅17时，基模由于满足反射条件被反射回激光器腔内作为谐振模式，而高阶模式由于没有受到少模光纤光栅的限制全部输出，并通过偏振控制器16挤压和拧转光纤来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

根据方案二提出如下实施例：

实施例3：如图3所示，在本实施中，使用了两只相同的少模光纤光栅17和27作为激光器腔镜，其中少模光纤光栅27也可由其他反射元件代替，例如宽带反射镜，所述的少模光纤光栅和实施例1中描述相同。

泵浦源11与波分复用器12相连，少模光纤光栅27两端分别于波分复用器12的公共端及支持高阶模运转的少模稀土掺杂光纤24相连，并通过波分复用器12为与波分复用器12公共端相连少模稀土掺杂光纤24注入泵浦能量。所述的少模稀土掺杂光纤是指光纤满足基模和一阶高阶模运转的稀土掺杂光纤。此光纤在泵浦源的激发下，不单产生基模激光，也会产生高阶模式激光。支持高阶模式运转的带通滤波器25两端分别与少模稀土掺杂光纤24及少模光纤光栅17相连，其透过波长和少模光纤光栅的一阶高阶模反射波长相同，以保证激光器谐振波长与少模光纤光栅的高阶模反射波长一致。激光器形成谐振之前，泵浦激励少模稀土掺杂光纤产生包含基模和一阶高阶模的混合模式，混合模式经过少模光栅时，高阶模式被反射回腔内形成反馈增强，基模被带通滤波器衰减；这样经过多次循环，高阶模式在激光器反馈中处于优势，成为谐振模式，腔内只存在高阶模式，此时由少模光纤光栅17作为的输出腔镜输出的都为一阶高阶模式，并通过挤压和拧转所述偏振控制器16来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

本发明的创新之处在于：采用少模光纤光栅作为激光器选模的核心元件，利用少模光纤光栅波长--模式响应的特点，设计了两种不同方案来实现轴对称偏振光束输出的激光器结构。其优点是全光纤结构的稳定性和便携性，而且少模光纤光栅保证高质量的输出光束。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施例所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围。

Claims (4)

1.基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器，其特征在于包括：泵浦源、增益介质、波长选择组件、模式耦合部分及模式选择组件，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；

所述增益介质为稀土掺杂光纤，两端分别和波长选择元件及模式耦合部分相连，在泵浦源激光的激发下发生受激辐射产生激光，其模式为基模；

所述波长选择组件，为单模光纤光栅或者宽带反射器件和带通滤波器组合所述单模光纤光栅与波分复用器一端相连；所述的带通滤波器分别和宽带反射器与波分复用器的另一端相连；同时，单模光纤光栅或宽带反射器作为全光纤轴对称偏振光束激光器的一个腔镜；所述单模光纤光栅的反射波长和带通滤波器的透射波长均与少模光纤光栅的基模反射波长相同，以此来控制全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振波长与少模光纤光栅的基模反射波长相同；

所述模式耦合部分，由稀土掺杂光纤与少模光纤光栅所连接的少模光纤错位熔接构成，或是由稀土掺杂光纤续接的单模光纤与少模光纤光栅所连接的少模光纤错位熔接构成；所述模式耦合部分两端分别与稀土掺杂光纤和模式选择组件相连，经过模式耦合部分稀土掺杂光纤产生的基模一部分转化为一阶高阶模，另一部分保留为基模，也就是变为基模和一阶高阶模的混合模式，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；

所述模式选择组件，用于选择和调整输出光束的横模特性，它由偏振控制器和少模光纤光栅组成，少模光纤光栅续接的少模光纤穿过偏振控制器与模式耦合部分相连；所述少模光纤是指允许除了基模之外，还允许一阶高阶模式传输的光纤；所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，对于少模光纤光栅，一阶高阶模与基模在该少模光纤光栅上的反射波长不同；当激光谐振波长和少模光纤光栅的基模反射波长相同时，由稀土掺杂光纤产生的基模激光每次经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模满足反射条件而被反射回腔内作为谐振模式，而一阶高阶模由于不受少模光纤光栅的限制而成为输出模式，少模光纤光栅与波长选择组件共同作用保证输出光束单波长窄线宽特性，并通过偏振控制器挤压和拧转光纤来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

2.基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光光束产生方法，其特征在于实现如下：按照权利要求1所述的激光器结构连接，由泵浦源输入连续激光，激励增益介质工作产生基模激光，从增益介质产生的基模激光每次经过模式耦合部分，一部分被耦合为一阶高阶模式，一部分保留为基模，形成两者的混合模式；所述的模式耦合部分由两段光纤错位熔接构成的，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；波长选择组件控制激光器谐振波长处于少模光纤光栅的基模反射波长位置，经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模被反射回腔内继续谐振，而一阶高阶模式由于不受少模光纤光栅的限制而全部输出，并且通过调节偏振控制器使出射的光束在径向偏振和角向偏振切换；所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，对于少模光纤光栅，一阶高阶模与基模在该少模光纤光栅上的反射波长不同。

3.基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器，其特征在于包括：泵浦源、增益介质、波长选择组件以及模式选择组件，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；

所述增益介质，为少模稀土掺杂光纤，所述的少模稀土掺杂光纤是指光纤满足基模和一阶高阶模运转的稀土掺杂光纤；在泵浦激光的激发下发生受激辐射产生激光，在全光纤轴对称偏振光束激光器谐振之前，该激光的模式为基模和一阶高阶模的混合模式，在该全光纤轴对称偏振光束激光器谐振之后，该激光的模式全部为一阶高阶模式，所述一阶高阶模式包括径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；

所述波长选择组件，是可以支持一阶高阶模运转的带通滤波器，带通滤波器两端分别与少模稀土掺杂光纤及模式选择组件相连接，带通滤波器的透射波长应处于少模光纤光栅的一阶高阶模式反射波长位置，用以控制激光器的谐振波长与少模光纤光栅的一阶高阶模的反射波长相同；

所述模式选择组件，由偏振控制器和两个相同少模光纤光栅组成，所述少模光纤光栅是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅；所述第一个少模光纤光栅，一端和波分复用器公共端相连，另一端与少模稀土掺杂光纤相连，作为该全光纤轴对称偏振光束激光器的一个腔镜；第二个少模光纤光栅一端与带通滤波器相连，另一端作为该全光纤轴对称偏振光束激光器的输出腔镜，偏振控制器加载于少模光纤光栅续接的少模光纤上；全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振波长被控制在一阶高阶模反射波长位置，每次循环一阶高阶模都被少模光纤光栅大量返回形成反馈增强，而基模被带通滤波器衰减，经过多次循环后，一阶高阶模式占有增益竞争优势，成为全光纤轴对称偏振光束激光器的谐振模式，此时全光纤轴对称偏振光束激光器腔内只存在一阶高阶模，不存在基模，此时由输出腔镜出射的都是一阶高阶模式，并通过偏振控制器挤压和拧转光纤，来调节输出光束在径向偏振和角向偏振之间切换。

4.基于少模光纤光栅的轴对称偏振激光光束产生方法，其特征在于：按照权利要求3所述的激光器的结构连接，泵浦源通过波分复用器向增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生基模和一阶高阶模混合模式激光，所述一阶高阶模式包含径向偏振的TM₀₁模式和角向偏振的TE₀₁模式；波长选择组件控制激光器谐振波长处于少模光纤光栅的一阶高阶模反射波长位置；在全光纤轴对称偏振光束激光器初始循环中，从增益介质中产生的混合模式激光中的一阶高阶模式被少模光纤光栅返回腔内形成反馈增强，而基模被带通滤波器衰减；经过多次循环，一阶高阶模式处于反馈机制中的优势而成为激光器的谐振模式，整个全光纤轴对称偏振光束激光器腔内谐振的模式为一阶高阶模式，此时从少模光纤光栅作为的输出腔镜出射的都为一阶高阶模式；并且可以通过调节偏振控制器使出射的光束在径向偏振和角向偏振切换。

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