CN107834351A - 一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器 - Google Patents

一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、单模布布拉格光栅、第一偏振控制器、第二偏振控制器、模式选择耦合器和准直器；泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与环形器的1端口相连，环形器的2端口连接单模布拉格光栅，环形器的3端口通过第一偏振控制器、模式选择耦合器和波分复用器的长波长相连，第二偏振控制器和准直器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。本发明具有光纤激光器的斜率效率高、插入损耗小、柱矢量激光偏振纯度高的优点。

Description

一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器领域，具体涉及到一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器。
背景技术
柱矢量激光包括径向偏振光和角向偏振光，因其特殊的对称偏振特性和强度特性，被广泛应用于量子物理、光镊、光纤传感、表面等离子激发和光纤通信等领域。特别是径向偏振光，越来越受到关注。
柱矢量激光主要利用自由空间器件或者全光纤的方法产生。利用自由空间器件主要是通过相位调制器、组合半波片、双折射晶体和亚波长光栅等体块式自由空间器件对光偏振态的精确调控来获得柱矢量激光。但是利用上述器件产生柱矢量激光，对于这些器件的精密程度和作用范围都有着严格的要求，而且光路不易集成、制作成本高。利用全光纤的方法产生柱矢量激光分为两种方法，第一种方法利用光纤错位耦合的方法激发高阶模，以少模光纤光栅作为横向高阶模选模单元产生柱矢量激光，但是光纤错位耦合的方法产生的高阶模损耗较大，柱矢量激光斜率效率低、输出功率小，限制了其在长距离光纤通信和光纤传感系统中的应用。第二种方法是利用模式选择耦合器作为模式转换器和模式选择器产生柱矢量激光，相比于利用错位耦合的方法产生柱矢量激光具有更高的斜率效率和更低的插入损耗。但是目前使用模式选择耦合器产生柱矢量激光的局限性在于：(1)仅限于在1.55μm波段产生柱矢量激光，在1μm波段还没有研究，而且柱矢量激光的纯度并不是太高；(2)只利用模式选择耦合器产生了脉冲柱矢量激光，而未研究连续柱矢量激光，而且柱矢量激光的斜率效率还是偏低；(3)所利用的模式选择耦合器还是通过传统的预拉熔融耦合拉锥的方法制备，此方法制备的模式选择耦合器插入损耗大，工艺复杂。
因此，如何实现一种低损耗、高效率、全光纤和低成本的方法以获得纯度高、稳定性高、结构紧凑的在1μm波段的连续柱矢量光纤激光器具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决是克服现有技术产生柱矢量激光的结构复杂、损耗大、效率低和模式纯度低等缺点，提供一种新型的在1μm波段产生连续柱矢量激光的方法，即基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，激光器的所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑，不受外界因素干扰，可连续稳定工作，而且该光纤激光器使用的模式选择耦合器通过一种新型的无预拉熔融拉锥的方法制作，具有插入损耗小，制备简单等优点。腔内置入模式选择耦合器，实现高效率的柱矢量激光输出；通过在腔内插入一个单模布拉格光栅，窄化激光器的带宽，从而提高柱矢量激光的纯度。
为解决上述技术问题本发明采用的技术方案是一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、单模布拉格光栅、第一偏振控制器、第二偏振控制器、模式选择耦合器和准直器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与环形器的1端口相连，环形器的2端口连接单模布拉格光栅，环形器的3端口通过第一偏振控制器、模式选择耦合器和波分复用器的长波长相连，第二偏振控制器和准直器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。
进一步，上述模式选择耦合器采用一种无预拉的熔融拉锥方式制备，工作波长在1μm附近，可以将单模光纤中的基模转换成为少模光纤中的高阶模并在耦合器输出端选择性地输出不同的模式，具有模式转换和模式分离两个功能。
光被增益光纤放大进入环形器时，被单模布拉格光栅反射，通过第一偏振控制器进入模式选择耦合器的输入端，通过模式选择耦合器实现从基模到高阶模的模式转换，在单模光纤输出端口输出基模，在少模光纤输出端输出高阶模。
通过在环形器的2端口连接一个单模布拉格光栅可以窄化激光的带宽和提高柱矢量激光的纯度。
通过调节模式选择耦合器两端的第一偏振控制器和第二偏振控制器，在模式选择耦合器的输出端即光纤激光器的输出端得到环状分布、模式纯度高的柱矢量激光。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果；
(1)本发明利用的模式选择耦合器通过一种新型的方式制备，即无预拉的熔融拉锥法，具有插入损耗小，工艺简单等优点，且工作波段在1μm附近。
(2)本发明采用在激光器谐振腔内置入模式选择耦合器和单模布拉格光栅，使得激光器的插入损耗小，斜率效率高和输出的柱矢量激光模式纯度高。
(3)本发明采用全光纤结构，激光器输出效率高，结构紧凑，不受外界因素干扰，可连续稳定工作。
附图说明
图1为模式选择耦合器的结构示意图。
图2为单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模在1.064μm波长下的模式有效折射率随光纤直径的变化曲线。
图3为利用Rsoft软件进行仿真的效果图：(a)-(b)为单模光纤和少模光纤具有相同直径时，单模光纤中的LP01模与少模光纤中LP11模在耦合区功率周期性交换图，(c)-(f)为单模光纤中基模向少模光纤中的高阶模转换的动态图。
图4为模式选择耦合器的少模光纤输出端的在不同波长下的模场分布，通过CCD测试获得。
图5为显微镜下的模式选择耦合器的图像；(a)为模式选择耦合器的耦合区，通过高精度的垂直显微镜获得，(b)为模式选择耦合器的截面图，通过高精度的水平显微镜获得。
图6为基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器结构示意图。
图7为基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器的实验结果，(a)为激光器和单模布拉格光栅的反射谱，(b)为激光器的输出功率随泵浦功率变化的曲线图。
图8为CCD探测获得的柱矢量激光模斑图以及加起偏器后的激光模斑图；其中，(a)为角向偏振光模斑，呈环状分布，(b)、(c)、(d)、(e)均为角向偏振激光输出加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布，(f)为径向偏振光模斑，光场呈环状分布，(g)、(h)、(i)、(j)均为径向偏振激光加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。本发明提出的基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、单模布格拉光栅、第一偏振控制器、第二偏振控制器、模式选择耦合器和准直器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与环形器的1端口相连，环形器的2端口连接单模光栅，环形器的3端口通过第一偏振控制器、模式选择耦合器和波分复用器的长波长相连，第二偏振控制器和准直器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。
模式选择耦合器将单模光纤中的基模(LP01模)和少模光纤中的高阶模(LP11模)转换，在单模光纤输出端输出LP01模并在少模光纤输出端输出LP11模，在不同的光纤输出端口输出不同的模式具有模式转换和模式选择两个功能，工作波段在1um附近。
本发明利用新型的制备方式制备上述的模式选择耦合器，具有插入损耗低和工艺简单等优点，并将模式选择耦合器内置于光纤激光器中实现模式转换和模式分离功能。
本发明在激光器谐振腔中内置单模布拉格光栅窄化激光器的带宽，以提高柱矢量激光的纯度。
本发明通过模式选择耦合器和单模布格拉光栅的共同作用，调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，在模式选择耦合的输出端即激光器的输出端的得到模式纯度高的柱矢量激光。
本发明实现了一个工作波段在1um的连续柱矢量光纤激光器，具有低损耗，斜率效率高，柱矢量激光模式纯度高等优点。
图1是模式选择耦合器的结构示意图，工作原理如下：
式中，Z表示耦合长度，A1和A2分别为单模光纤中的LP01模和少模光纤中被激起的某一模式的模场振幅；β1和β2分别为单模光纤中的LP01模式和少模光纤中被激起的某一模式的传播常数；C11和C22为自耦合系数；C12和C21为互耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数很小，可以忽略不计，且近似有C12＝C21＝C，经上式求得耦合器两个输出端口的光功率为：
如果β2为少模光纤中LP11模的传播常数时，当β1和β2相等时，即单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模满足相位匹配条件，此时相位不匹配度Δβ＝β1-β2等于0，在相位匹配条件下公式(3)和(4)可以简化为P1(z)＝cos2(cz),P2(z)＝sin2(cz)，上式表明，在相位匹配情况下，两个模式进行周期性功率交换，实现了LP01模向LP11模模式转换的功能；在单模光纤输出端输出LP01模，在少模光纤输出端输出LP11模，通过在不同的光纤输出端选择性的输出不同的模式，实现了模式选择的功能。
因为模式的传播常数随着光纤的直径而变化，为了使单模光纤中LP01模和少模光纤中LP11模满足相位匹配条件。利用有限元法(BPM)计算单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模的传播常数在1.064μm波长下随光纤直径变化关系，如图2所示。从图中可以看出但单模光纤和少模光纤具有相同的直径22.4μm时满足相位匹配条件。如图3所示为基于光束传播法(BPM)，利用Rsoft仿真获得的实现相位匹配的光纤直径参数进行仿真计算获得的LP01模与LP11模功率周期性交换的仿真图。利用熔融拉锥法直接将单模光纤和少模光纤放进拉锥机中进行熔融拉锥处理，当单模光纤和少模光纤的直径为22.4μm时即可制备模式选择耦合器(因为单模光纤和少模光纤具有相同的直径，无需利用传统的方法将单模光纤或少模光纤先预拉伸处理才能满足相位匹配条件)，利用CCD观测少模光纤输出端的在1μm附近的模斑，如图4所示，经测量得到模式选择耦合器少模光纤输出端的高阶模(LP11)的纯度在97％以上，且模式选择耦合器的插入损耗在0.5dB以下。
为了验证模式选择耦合器的单模光纤和少模光纤的直径是否为22.4μm，利用高精度垂直显微镜和水平显微镜测量模式选择耦合器的耦合区域直径，如图5(a)和(b)所示，通过测量单模光纤和少模光纤的直径大概在22.4μm左右，实验与仿真相符合。
如图6所示为本发明的结构示意图，一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、单模布拉格光栅第一偏振控制器、第二偏振控制器、模式选择耦合器和准直器；其中，
泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与环形器的1端口相连，环形器的2端口连接单模布拉格光栅，环形器的3端口通过第一偏振控制器、模式选择耦合器和波分复用器的长波长相连，第二偏振控制器和准直器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。
本发明的工作原理如下：泵浦源作为环形腔的激励源，用于输出泵浦光至波分复用器的短波长输入端，波分复用器用于将具有波长不同的泵浦光和由其长波长输入端输入的反馈激光复用至光纤谐振腔中，增益光纤(掺镱)用于提供光放大，环形器用于连接单模布格拉光栅，当光由环形器的1端口进入时，会从2端口输出，2端口输出的光被单模布格拉光栅反射由环形器的3端口输出，输出光经第一偏振控制器进入模式选择耦合器，由于模式选择耦合器有模式转换和模式分离两个功能，光通过模式选择耦合器时，单模光纤输出端输出LP01模至波分复用器的长波长输入端口，用于在腔内产生谐振，少模光纤输出端口(激光器输出端口)输出LP11模，通过调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，实现对模场的偏振态精确控制，在输出端得到呈环状分布、偏振纯度较高的柱矢量激光。
如图7所示为基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器的实验结果,其中图(a)为激光器的输出光谱，3dB带宽为0.038nm,中心波长为1053.9nm，边模抑制比为61dB。(b)为激光器输出脉冲的平均功率随泵浦功率变化的曲线图。实验测试得到激光器的斜率效率为9.1％
图8所示为CCD探测获得的柱矢量激光模斑图以及加起偏器后的激光模斑图；其中，(a)为角向偏振光模斑，呈环状分布，(b)、(c)、(d)、(e)均为角向偏振激光输出加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布，(f)为径向偏振光模斑，光场呈环状分布，(g)、(h)、(i)、(j)均为径向偏振激光加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布。测试结果显示所获得的柱矢量光束的偏振纯度大于96.3％。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。需要说明的是以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、单模布拉格光栅、第一偏振控制器、第二偏振控制器、模式选择耦合器和准直器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与环形器的1端口相连，环形器的2端口连接单模布拉格光栅，环形器的3端口通过第一偏振控制器、模式选择耦合器和波分复用器的长波长相连，第二偏振控制器和准直器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。
2.根据权利1要求所述的基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于，所述的模式选择耦合器采用一种无预拉的熔融拉锥方式制备，工作波长在1μm附近，可以将单模光纤中的基模转换成为少模光纤中的高阶模并在耦合器输出端选择性地输出不同的模式，具有模式转换和模式分离两个功能。
3.根据权利要求1所述的基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于光被增益光纤放大进入环形器时，被单模布拉格光栅反射，通过第一偏振控制器进入模式选择耦合器的输入端，通过模式选择耦合器实现从基模到高阶模的模式转换，在单模光纤输出端口输出基模，在少模光纤输出端输出高阶模。
4.根据权利要求3所述的基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于，通过在环形器的2端口连接一个单模布拉格光栅可以窄化激光的带宽和提高柱矢量激光的纯度。
5.根据权利要求3所述的基于模式选择耦合器的1μm波段柱矢量光纤激光器，其特征在于通过调节模式选择耦合器两端的第一偏振控制器和第二偏振控制器，在模式选择耦合器的输出端即光纤激光器的输出端得到环状分布、模式纯度高的柱矢量激光。
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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: A 1 m M band column vector fiber laser based on mode selective coupler

Granted publication date: 20191224

License type: Common License

Record date: 20201021

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