CN107872002A - 一种高效率全光纤柱矢量光束激光器 - Google Patents

一种高效率全光纤柱矢量光束激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效率全光纤柱矢量光束激光器，由于少模长周期光纤光栅在共振波长处可以实现基模到一阶模式的高效率转换且具有低插入损耗的特性，通过将少模长周期光纤光栅引入激光腔内作为模式转换器件，提高模式转换效率，减少腔内损耗，以实现柱矢量激光光束的高效率输出。该激光器包括放大器模块，用于提供激光产生和放大；谐振腔模块，用于实现激光谐振；偏振控制模块，用于控制腔内激光偏振态；以及模式转换模块即少模长周期光纤光栅，用于实现高效率模式转换。该激光器输出的柱矢量光束具有高效率、低阈值、高纯度、模式可切换等特性，且没有空间耦合结构、稳定性高、便携性好、适合产品化。

Description

一种高效率全光纤柱矢量光束激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及基于少模长周期光纤光栅的高效率柱矢量光束激光器。
背景技术
与普通的偏振光束不同，柱矢量光是指光束的横截面上的偏振方向具有柱对称分布，且其横向光强分布为环形，一般可分为角向和径向偏振光。
柱矢量光具有的特殊偏振和振幅特性使得它可以应用在很多领域，诸如粒子操控，材料加工，等离子体激发，光存储，超分辨显微成像，光通信等领域。
由于全光纤的柱矢量激光器相比于具有空间耦合结构的柱矢量激光器具有便携好，稳定性好，体积小等特点，得到了广泛研究。但是目前所报道(如：中国专利CN102544999A)的全光纤柱矢量激光器中，多数采用单模光纤和少模光纤的错位熔接耦合来实现基模到一阶模式的转换，模式转换效率效率低(小于百分之二十)；而且由于相位失配带来较大的腔内损耗；同时为了抑制基模光束输出以保证一阶模式的输出纯度而采用了高反射率输出镜，难以达到最优输出耦合比限制了输出功率；以上原因导致输入的泵浦光功率要求较高，更重要的是难以实现高效率的全光纤柱矢量激光输出。此外，错位量需通过手动调整的，难以精准控制，增加了实验的复杂度和不确定性。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中所描述的不足，提出一种高效率柱矢量光束激光器，具有激光效率高、阈值低、实验方便、结构简单、纯度高、稳定性高、便携性好等特点。
本发明解决其技术问题的技术方案为：
一种高效率全光纤柱矢量光束激光器，其特征在于：包括放大器模块、模式转换模块、偏振控制模块、谐振腔模块，其中：
所述放大器模块，可以为泵浦源、波分复用器和增益介质构成，所述泵浦源为半导体激光二极管与波分复用器的反射端相连，并向与波分复用器的公共端相连的增益介质输入连续激光，用于提供激光产生和放大，所产生的激光为基模；所述的增益介质为掺杂稀土离子光纤；所述放大器模块所用的光纤皆为单模光纤，单模光纤只支持基模传输；所述放大器模块两端分别与谐振腔模块中的全反射镜和模式转换模块相连。
所述的模式转换模块，可以是少模长周期光纤光栅，分别与放大器模块和谐振腔模块中的部分反射镜相连；所述的少模长周期光纤光栅是指在少模光纤上刻写长周期光栅，在满足共振条件时，在共振波长处可以实现从基模到一阶模式的转换，由于制作少模长周期光纤光栅时通常是单向刻写，具有偏振相关特性，由偏振控制模块调整入射基模光束的偏振态就可以选择性的激发径向和角向偏振，且模式转换效率高,插入损耗小；所述的少模光纤为不仅可以支持基模还可以支持一阶模式的光纤。
所述的偏振控制模块，可以是偏振控制器，加在放大器模块和少模长周期光纤光栅中间，用来调整入射到少模长周期光纤光栅上的基模光的偏振态，实现选择性地和可调谐地激发一阶模式；所述一阶模式包含径向和角向偏振光也就是TM01和TE01模式；
所述谐振腔模块，可以由一个全反射镜和部分反射镜构成；所述的全反射镜和部分反射镜可以是宽谱反射或者窄谱反射，实现方法可以是光纤断面镀膜、塞格纳克环、光纤光栅；所述的部分反射镜作为输出腔镜；
其中，由放大器模块产生基模激光并放大，基模激光经过偏振控制器改变偏振态，再入射到少模长周期光纤光栅，在共振波长附近，高效率地和选择性地激发出一阶模式，也就是径向和角向偏振模式；径向和角向偏振模式到达部分反射镜，有一部分输出，一部分反射回腔内，再经过少模长周期光纤光栅耦合回基模，基模经过放大器模块继续放大，再经全反射镜反射回腔内实现完整的激光运转；由于少模长周期光纤光栅具有高模式转换效率和低插入损耗的特性，可以实现角向和径向偏振模式高效率的选择性输出。
其中，在全反射镜和少模长周期光纤光栅之间的激光腔是基模运转，在少模长周期光纤光栅和部分全反射镜之间的激光腔是角向或径向偏振模式运转。
本发明的有益效果主要表现在：
本发明利用少模长周期光纤光栅在共振波长处具有高模式转化效率和低插入损耗特性，通过在激光腔内引入少模长周期光纤光栅实现高效率模式转换，减小腔内损耗，实现柱矢量激光光束的高效率输出。相比于之前所报道的柱矢量激光器，不仅具有全光纤柱矢量激光器的便携性好和稳定性好等特点，且具有实验更加方便、阈值更低、激光斜率效率更高等特点。
附图说明
下面将对所提出的实施例中所使用的附图作简要地介绍，以便更清楚地说明本发明实施例的技术方案，显然，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的高效率全光纤柱矢量光束激光器模块图。
图中附图标记含义为：121为第一反射模块，111为放大模块，131为偏振控制模块，141为模式转换模块，122为第二反射模块。
图2为本发明的高效率全光纤柱矢量光束激光器结构图。
图中附图标记含义为：211为泵浦源，212为波分复用器，213为掺杂稀土离子光纤，221为全反射镜，222为部分反射镜，231为偏振控制器，241为少模长周期光纤光栅。
具体实施方式
在具体描述实施例的结构之前，先对少模长周期光纤光栅理论进行简要的描述。
少模长周期光纤光栅是在少模光纤中使用紫外激光技术，飞秒激光技术，电弧技术，机械微弯技术，CO2激光器等技术进行刻写制作的，所述的少模长周期光纤光栅共振波长在掺杂光纤发射谱范围内，以及两个反射面的反射波长范围内。所述的少模光纤是指归一化频率V大于2.405，可以支持少模或者多模传输的光纤。因为TM01和TE01模的属于一阶模式，所以我们一般取2.405<V<3.8，光纤可以支持TM01和TE01模式，而且可以避免高阶的模式带来的干扰。与刻写在单模光纤中的长周期光栅类似，当满足共振条件时候，入射的基模会在光栅区域耦合到高阶模式中，不同的是对于单模长周期光纤光栅会耦合到包层模上，而对于少模长周期光纤光栅会耦合到我们所需的一阶模式，其模式转换效率可大于99％，并且插入损耗低可以至0.01dB。少模长周期光纤光栅一般是单向非均匀刻写，模式转换具有偏振相关特性，通过调整入射的基模光束的偏振态可以选择激发并输出TM01和TE01模式。
通过以上理论分析，本发明将具有高模式转换效率和低插入损耗特性的少模长周期光纤光栅引入激光腔内实现柱矢量激光光束的输出。
如图1所示，一种高效率全光纤柱矢量光束激光器，包括放大模块111，谐振腔模块(由第一反射模块121和第二反射模块122构成)，偏振控制模块131，模式转换模块141。其中放大模块111用于产生基模并放大；谐振腔模块由两个反射模块121和122构成激光谐振腔实现激光谐振；偏振控制模块131实现对腔内激光偏振态的控制以实现模式选择功能；模式转换模块141实现对基模到一阶模式的转换；由此可以实现了柱矢量光束TM01和TE01模式的可调谐，高效率输出。
下面参照实施例图，对本发明的实施方式进行详细的描述。
如图2所示，泵浦源211可以为半导体激光二极管通过波分复用器212耦合到激光腔内，注入到掺杂稀土离子光纤213上产生基模并放大。全反射镜221与波分复用器212相连作为谐振腔中的一个反射镜，将基模光束反射回腔内参与谐振，偏振控制器231一端与掺杂稀土离子光纤213相连，另一端与少模长周期光纤光栅241相连。所述的少模长周期光纤光栅241是刻写在少模光纤上的，在共振波长处，入射的基模会在光栅区域转换到一阶模式中，其转换效率可大于99％，并且插入损耗低可以至0.01dB。部分反射镜222与少模长周期光纤光栅241相连，作为激光器的输出腔镜。当改变入射到少模长周期光纤光栅241的基模光的偏振态，选择性激发TM01或TE01模式，这两个模式一部分通过部分反射镜222输出，一部分反射回腔内进行谐振，经过少模长周期光纤光栅241后转化为基模，再经过掺杂稀土离子光纤213进行放大，传输到全反射镜221返回腔内，构成完整的激光谐振。通过调整偏振控制器231，就可以实现了柱矢量光束TM01和TE01模式的可调谐，高效率输出。
本发明的创新之处在于：将少模长周期光纤光栅引入激光腔内作为模式转换元件，利用其高模式转换效率，低插入损耗的特点，实现柱矢量激光光束的高效率输出。
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，不意味着本发明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内。

Claims (3)

1.一种高效率全光纤柱矢量光束激光器，其特征在于：包括放大器模块、模式转换模块、偏振控制模块、谐振腔模块，其中：
所述放大器模块，可以为泵浦源、波分复用器和增益介质构成，所述泵浦源为半导体激光二极管与波分复用器的反射端相连，并向与波分复用器的公共端相连的增益介质输入连续激光，用于提供激光产生和放大，所产生的激光为基模；所述的增益介质为掺杂稀土离子光纤；所述放大器模块所用的光纤皆为单模光纤，单模光纤只支持基模传输；所述放大器模块两端分别与谐振腔模块中的全反射镜和模式转换模块相连；
所述的模式转换模块，可以是少模长周期光纤光栅，分别与放大器模块和谐振腔模块中的部分反射镜相连；所述的少模长周期光纤光栅是指在少模光纤上刻写长周期光栅，在满足共振条件时，在共振波长处可以实现从基模到一阶模式的转换，由于制作少模长周期光纤光栅时通常是单向刻写，具有偏振相关特性，由偏振控制模块调整入射基模光束的偏振态就可以选择性的激发径向和角向偏振，且模式转换效率高,插入损耗小；所述的少模光纤为不仅可以支持基模还可以支持一阶模式的光纤；
所述的偏振控制模块，可以是偏振控制器，加在放大器模块和少模长周期光纤光栅中间，用来调整入射到少模长周期光纤光栅上的基模光的偏振态，实现选择性地和可调谐地激发一阶模式；所述一阶模式包含径向和角向偏振光也就是TM01和TE01模式；
所述谐振腔模块，可以由一个全反射镜和部分反射镜构成；所述的全反射镜和部分反射镜可以是宽谱反射或者窄谱反射，实现方法可以是光纤断面镀膜、塞格纳克环、光纤光栅；所述的部分反射镜作为输出腔镜。
2.根据权利要求1所述的高效率全光纤柱矢量光束激光器，其特征在于：由放大器模块产生基模激光并放大，基模激光经过偏振控制器改变偏振态，再入射到少模长周期光纤光栅，在共振波长附近，高效率地和选择性地激发出一阶模式，也就是径向和角向偏振模式；径向和角向偏振模式到达部分反射镜，有一部分输出，一部分反射回腔内，再经过少模长周期光纤光栅耦合回基模，基模经过放大器模块继续放大，再经全反射镜反射回腔内实现完整的激光运转；由于少模长周期光纤光栅具有高模式转换效率和低插入损耗的特性，可以实现角向和径向偏振模式高效率的选择性输出。
3.根据权利要求1所述的高效率全光纤柱矢量光束激光器，其特征在于：在全反射镜和少模长周期光纤光栅之间的激光腔是基模运转，在少模长周期光纤光栅和部分全反射镜之间的激光腔是径向和角向偏振模式运转。
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