CN103630977B - 一种基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制方法 - Google Patents

一种基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制方法，该发明属于激光器技术领域，其特征在于，在多模波导中嵌入薄膜型空间滤波器，模角不在空间滤波器角域带宽以内的波导模式被抑制，从而实现波导模式的控制。关键在于合理设计薄膜型空间滤波器结构，该结构可以是折射率沿波导纵向变化的一维薄膜结构以及横向和纵向都改变的二维结构，且可通过改变空间滤波器的材料或/和尺寸参数来调节空间滤波器的角域带宽。本发明实现较为简单、成本较低和高阶模抑制效果好，可应用于波导激光器中。

Description

一种基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制方法
技术领域
本发明涉及波导模式控制方法，特别涉及一种基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制方法。
背景技术
近年来，波导模式控制方法受到越来越多的关注，尤其在高功率激光领域。为了获得更高功率的激光通常需要增大波导的芯径，但芯径的增加必然激发起波导高阶模，从而使输出光束质量下降。为了提高大芯径波导输出激光的光束质量，需要对波导的模式进行控制。目前实现波导模式控制的主要方法有：光子晶体光纤、弯曲损耗、锥形光纤、功率增益导引、螺旋芯光纤。光子晶体光纤抑制高阶模效果最佳，但是其制作工艺复杂，成本较高，且光子晶体光纤柔性差，较难实现全光纤结构；弯曲损耗法比较简单，在模式不太多的情况下抑制效果较好，但是对更大芯径的光纤效果有限，且影响激光的模场；锥形光纤方法也比较简单，但由于纤芯变细，在高功率下容易损伤；另外，功率增益导引和螺旋芯光纤等方法都需要在制作光纤时采用特殊的制作工艺，成本较高。因此，为了降低成本和提高高阶模抑制效果，人们有必要进一步探索波导模式控制的方法。
发明内容
本发明提出在多模波导中嵌入薄膜型空间滤波器进行模式控制的方法，能有效抑制波导的高阶模，改善激光光束质量。该方法具有较为简单、成本较低和高阶模抑制效果好的特点，可应用于波导激光器中。
下面阐述本发明的技术解决方案。
一种模式控制方法，其特征是在多模波导中嵌入薄膜型空间滤波器，利用空间滤波器来控制通过的波导模式，从而实现波导模式的控制。
多模波导可以是常规介质波导、金属波导或光子晶体波导，由波导理论可知每一种波导模式对应唯一的模角。
薄膜型空间滤波器可以是折射率沿波导纵向变化的一维薄膜结构以及横向和纵向都改变的二维结构。
薄膜型空间滤波器结构的参数，由需要设计的空间滤波器的角域带宽和工作波长决定。
多模波导中的激光光束通过薄膜型空间滤波器时，模角不在空间滤波器角域带宽以内的波导模式被抑制。
通过调整薄膜型空间滤波器的角域带宽，可实现波导模式的控制。
相较于现有模式控制方法，本发明提出在多模波导中嵌入薄膜型空间滤波器进行模式控制的方法。该发明实现较为简单、成本较低，且高阶模抑制效果好，适合应用于波导激光器领域。
附图说明
图1：基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制的结构示意图。
图2：基于薄膜型空间滤波器的波导模式控制对象之多模波导的三种示例。
图3：基于多层渐变薄膜型低通空间滤波器的常规介质平板波导模式控制方法实施例的结构示意图。
图4：多层渐变薄膜型低通空间滤波器的结构示意图。
图5：基于多层渐变薄膜型低通空间滤波器的常规介质平板波导模式控制效果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明波导模式控制的结构示意图，在多模波导（1）中嵌入薄膜型空间滤波器（2）来实现波导模式的控制。多模波导（1）可以是图2中常规介质波导（3）、金属波导（4）、光子晶体波导（5）三种波导中的任意一种。
图3为本发明的具体实施例，多模波导（1）选用的是常规介质平板波导，薄膜型空间滤波器（2）选用多层渐变薄膜型低通空间滤波器，实现对常规介质平板波导模式的控制。
常规介质平板波导由厚的LiF薄膜构成导波层（7），上下为空气覆盖层（6）和（8）。根据波导理论，此波导可以承载3个TE模和3个TM模。在后面讨论中，我们以TE模为例，该波导的模角按模序0、1、2分别对应为、、。
图4为多层渐变薄膜型低通空间滤波器（9）的结构图，其折射率与光学厚度的关系可表示为，为LiF基底材料的折射率，其值为1.38；为折射率最大的变化量，其值为1.1；为一个常数，这里选为；表示光学厚度对应的层序数，每层光学厚度均为。调整每层光学厚度参数，空间滤波器的角域带宽也能被调谐。
激光系统工作波长设为，调节多层渐变薄膜型低通空间滤波器（9）的光学厚度参数 ，该空间滤波器角域带宽为。图5（a）、（b）、（c）为基模、一阶和二阶TE模激光光束通过该空间滤波器的程序模拟传输效果图，从图（a）~（c）可以看出，基模和一阶模均能通过，而二阶模被抑制。
为实现单模传输，使空间滤波器角域带宽只包含基模激光光束的模角，调节多层渐变薄膜型低通空间滤波器（9）的每层光学厚度参数 ，该空间滤波器角域带宽变为。图5（d）、（e）、（f）为基模、一阶、二阶TE模激光光束通过该空间滤波器的程序模拟传输效果图，从图（d）~（f）可以看出只有基模可以通过，而其余高阶模均被抑制，从而实现了波导单模输出。

Claims (5)

1.一种波导模式控制方法，其特征在于,所述波导模式控制方法是在多模波导中嵌入薄膜型空间滤波器，调整该薄膜型空间滤波器的材料或/和该薄膜型空间滤波器的尺寸参数来调节其角域带宽，模角在该薄膜型空间滤波器角域带宽以内的波导模式能通过，模角在该薄膜型空间滤波器角域带宽以外的波导模式被抑制，实现波导模式的控制；
所述薄膜型空间滤波器为多层渐变薄膜型低通空间滤波器，所述多层渐变薄膜型低通空间滤波器的折射率n(x)与所述多层渐变薄膜型低通空间滤波器的光学厚度x的关系为：其中，基底材料LiF的折射率nL＝1.38，折射率最大的变化量np＝1.1，σ＝4.4×10-3，m为光学厚度x对应的层序数；所述薄膜型空间滤波器的尺寸参数包括每层的光学厚度d0。
2.根据权利要求1所述的波导模式控制方法，其特征在于，所述的多模波导是常规介质波导、金属波导或光子晶体波导。
3.根据权利要求1或者2所述的波导模式控制方法，其特征在于，所述薄膜型空间滤波器是折射率沿波导纵向变化的一维薄膜结构或者横向和纵向都改变的二维薄膜结构。
4.根据权利要求1所述的波导模式控制方法，其特征在于，所述薄膜型空间滤波器结构为两种或多种不同材料按不同方式组合而成。
5.根据权利要求1所述的波导模式控制方法，其特征在于，所述薄膜型空间滤波器的材料和尺寸由所需的角域带宽和工作波长确定。
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