CN108963734A - 一种涡旋光光纤激光器及其控制方法 - Google Patents

一种涡旋光光纤激光器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡旋光光纤激光器及其控制方法。本发明采用波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一第二偏振控制器、第二偏振控制器和偏振隔离器构成偏振旋转锁模环形腔，采用压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器构成光轨道角动量转换器；耦合器的输出端为单模光纤输出基模光；基模光传输至双模光纤；压力型长周期光栅向双模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11；挤压型偏振控制器向双模光纤施加压力，使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生π/2相位差，从而产生涡旋光；本发明实现了结构简单的飞秒脉冲涡旋光的输出，并且能够调节涡旋光的拓扑荷的阶数；同时调节环形腔中的偏振控制能使得输出光在连续光和脉冲光之间转换。

Description

一种涡旋光光纤激光器及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光器，具体涉及一种涡旋光光纤激光器及其控制方法。
背景技术
光纤激光器具有其它传统的激光器所无法比拟的高转换效率、高输出功率、高光束质量、高稳定性、宽带可调性和易小型化、无需制冷、维护简单等特点。
偏振旋转锁模结构简单，以两个偏振控制器和一个偏振隔离器作为类可饱和吸收体，易调节，输出脉冲可达飞秒量级。
光纤中轨道角动量光即涡旋光的产生一般靠两个传播常数相同的高价矢量模或线偏振模以π/2相位差叠加而成。线偏振高阶模的产生由长周期光栅完成，光纤长周期光栅可以由紫外光刻写，但是一旦成型后周期无法更改。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种涡旋光光纤激光器及其控制方法。
本发明的一个目的在于提出一种涡旋光光纤激光器。
本发明的涡旋光光纤激光器包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一和第二偏振控制器、偏振隔离器、少模光纤、压力型长周期光栅以及挤压型偏振控制器；其中，泵浦源通过单模光纤连接至波分复用器的第一端口；波分复用器的第二端口通过增益光纤连接至输出光耦合器的第一端口；输出光耦合器的第二端口经单模光纤依次连接第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器至波分复用器的第三端口；波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振隔离器和输出光耦合器构成偏振旋转锁模环形腔；输出光耦合器的第三端口为输出端，采用单模光纤，输出光耦合器的输出端连接少模光纤；少模光纤依次穿过压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器，压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器构成光轨道角动量转换器；泵浦源发出泵浦光经波分复用器进入增益光纤，激发增益光纤中的增益介质产生自发辐射光，经过输出光耦合器和第一偏振控制器，进入偏振隔离器，变成线偏振光；再经过第二偏振控制器变成椭圆偏振光，经波分复用器继续在偏振旋转锁模环形腔循环，由于自相位调制和交叉相位调制产生非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第一偏振控制器选择把强度最强的光的偏振态转变成线偏振，并且偏振方向与偏振隔离器的透振方向相同，从而使得强度最强的光通过偏振隔离器，第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲；耦合器的输出端为单模光纤，只输出基模光；基模光传输至少模光纤；压力型长周期光栅向少模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11；挤压型偏振控制器向少模光纤施加压力，使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b之间产生π/2相位差，然后线性叠加从而产生涡旋光。
泵浦源采用激光器。
增益光纤中掺杂物质为掺饵、掺镱、掺铥、掺铋和掺钕中的一种或多种的组合。
本发明的另一个目的在于提供一种涡旋光光纤激光器的控制方法。
本发明的涡旋光光纤激光器的控制方法，包括以下步骤：
1)泵浦源发出泵浦光经波分复用器进入增益光纤，激发增益光纤中的增益介质产生自发辐射光，经过输出光耦合器和第一偏振控制器，进入偏振隔离器，变成线偏振光；再经过第二偏振控制器变成椭圆偏振光，经波分复用器继续在偏振旋转锁模环形腔循环，由于自相位调制和交叉相位调制产生非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第一偏振控制器选择把强度最强的光的偏振态转变成线偏振，并且偏振方向与偏振隔离器的透振方向相同，从而使得强度最强的光通过偏振隔离器，第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲；
2)耦合器的输出端只输出基模光，基模光传输至少模光纤；
3)压力型长周期光栅向少模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11模；
4)挤压型偏振控制器向少模光纤施加压力，压力大小与相位差成正相关，使得由高阶模LP11分解的正交的LP11a和LP11b之间产生π/2相位差，然后线性叠加从而产生涡旋光。
其中，在步骤1)中，通过调节第一和第二偏振控制器，控制在偏振旋转锁模环形腔中产生脉冲光或连续光；若偏振旋转锁模环形腔实现锁模则输出脉冲光，若偏振旋转锁模环形腔不锁模则输出连续光。
在步骤3和4)中，通过控制压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器，调节涡旋光的拓扑荷的阶数。少模光纤采用双模光纤，控制涡旋光的拓扑荷的阶数为0，+1或-1；如果压力型长周期光栅不施加力，则涡旋光的拓扑荷为0；如果压力型长周期光栅施加力同时挤压型偏振控制器施加的力使得高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生正π/2相位差，则涡旋光的拓扑荷为1；如果压力型长周期光栅施加力同时挤压型偏振控制器施加的力使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生负π/2相位差，则涡旋光的拓扑荷为-1。
本发明的优点：
本发明采用波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一第二偏振控制器、第二偏振控制器和偏振隔离器构成偏振旋转锁模环形腔，采用压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器构成光轨道角动量转换器；耦合器的输出端为单模光纤输出基模光；基模光传输至少模光纤；压力型长周期光栅向少模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11；挤压型偏振控制器向少模光纤施加压力，使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生π/2相位差，从而产生涡旋光；本发明将偏振旋转锁模环形腔与光轨道角动量转换器结合，实现了结构简单的飞秒脉冲涡旋光的输出，并且能够调节涡旋光的拓扑荷的阶数；同时调节环形腔中的偏振控制能使得输出光在连续光和脉冲光之间转换。
附图说明
图1为本发明的涡旋光光纤激光器的一个实施例的光路图；
图2为本发明的涡旋光光纤激光器的一个实施例的偏振旋转锁模环形腔的输出光的脉冲序列、脉宽测量拟合图；
图3(a)～(f)为本发明的涡旋光光纤激光器的一个实施例的双模光纤输出的连续光模场以及与参考光的干涉；
图4(a)～(f)为本发明的涡旋光光纤激光器的一个实施例的双模光纤输出的飞秒脉冲模场以及与参考光的干涉。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的涡旋光光纤激光器包括：泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、输出光耦合器4、第一和第二偏振控制器5和7、偏振隔离器6、压力型长周期光栅10、双模光纤9以及挤压型偏振控制器11；其中，泵浦源1通过传输光纤连接至波分复用器2的第一端口；波分复用器2的第二端口通过增益光纤3连接至输出光耦合器4的第一端口；输出光耦合器4的第二端口经传输光纤依次连接第一偏振控制器5、偏振隔离器6和第二偏振控制器7至波分复用器2的第三端口；波分复用器2、增益光纤3、输出光耦合器4、第一偏振控制器5、第二偏振控制器7、偏振隔离器6和输出光耦合器4构成偏振旋转锁模环形腔；输出光耦合器4的第三端口为输出端，采用单模光纤，输出光耦合器4的输出端连接双模光纤9；在双模光纤9外依次设置压力型长周期光栅10和挤压型偏振控制器11，压力型长周期光栅10和挤压型偏振控制器11构成光轨道角动量转换器。
在本实施例中，泵浦源1为980nm半导体激光器；增益光纤3为掺饵光纤；耦合输出器为1550nm的1:9耦合输出器；第一和第二偏振控制器5和7为三环偏振控制器。
本实施例的涡旋光光纤激光器的控制方法，包括以下步骤：
1)泵浦源1发出980nm的泵浦光经波分复用器2进入掺饵光纤，激发掺饵光纤中的铒离子，产生以1564nm为中心波长的自发辐射光，经过输出光耦合器4和第一偏振控制器5，进入偏振隔离器6，变成线偏振光；再经过第二偏振控制器7变成椭圆偏振光，经波分复用器2继续在偏振旋转锁模环形腔循环，由于自相位调制和交叉相位调制产生非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第一偏振控制器5选择把强度最强的光的偏振态形成线偏振光，并且偏振方向与偏振隔离器6透振方向相同，从而使得强度最强的光的偏振态转换为线偏振光通过偏振隔离器6，第一偏振控制器5、偏振隔离器6和第二偏振控制器7形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲；
2)耦合器的输出端只输出基模光，基模光传输至双模光纤9；
3)压力型长周期光栅10向双模光纤9施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11；
4)挤压型偏振控制器11向双模光纤9施加压力，压力大小与相位差成正相关，使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生π/2相位差，从而产生涡旋光。
本实施例中，采用200MHz光电探测器(CONQUER)和2.5GHz示波器(YOKOGAWADL9140)测量了激光器的时域脉冲序列，表明了激光器可以运行在稳定的锁模状态，如附图2(a)所示，其重复频率为27MHz。进一步采用自相关议测量了脉冲宽度，按照双曲正割的平方函数sech2拟合半峰宽度为398fs，如附图2(b)所示。最后，采用红外CCD记录了双模光纤输出的近场光强分布以及输出光和参考光干涉以证明此系统可以生成涡旋光，且拓扑荷可在0，+1，-1之间调节。图3(a)～(f)为激光器运行在连续光状态下的输出光的模场图，图4(a)～(f)为激光器运行在锁模状态下输出的飞秒脉冲光的模场图。在压力型长周期光栅10和挤压型偏振控制器11施加力之前，其模场为0阶模即基模，如图3(a)和图4(a)所示。接着对压力型长周期光栅10施加大小合适的力可得到LP11模，如图3(b)和图4(b)，然后将挤压型偏振控制器11旋转到合适的角度并施加合适的力可得到+1或-1阶涡旋模，如图3和图4的(c)和(e)。通过参考光与输出光相干叠加在暗迹处得叉形数量和方向确认了涡旋光的拓扑荷.如图3和图4的(d)和(f)的相左和向右的叉形分别代表了对应的涡旋光的拓扑荷为+1和-1。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述涡旋光光纤激光器包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一和第二偏振控制器、偏振隔离器、少模光纤、压力型长周期光栅以及挤压型偏振控制器；其中，泵浦源通过单模光纤连接至波分复用器的第一端口；波分复用器的第二端口通过增益光纤连接至输出光耦合器的第一端口；输出光耦合器的第二端口经单模光纤依次连接第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器至波分复用器的第三端口；波分复用器、增益光纤、输出光耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振隔离器和输出光耦合器构成偏振旋转锁模环形腔；输出光耦合器的第三端口为输出端，采用单模光纤，输出光耦合器的输出端连接少模光纤；少模光纤依次穿过压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器，压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器构成光轨道角动量转换器；泵浦源发出泵浦光经波分复用器进入增益光纤，激发增益光纤中的增益介质产生自发辐射光，经过输出光耦合器和第一偏振控制器，进入偏振隔离器，变成线偏振光；再经过第二偏振控制器变成椭圆偏振光，经波分复用器继续在偏振旋转锁模环形腔循环，由于自相位调制和交叉相位调制产生非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第一偏振控制器选择把强度最强的光的偏振态转变成线偏振，并且偏振方向与偏振隔离器的透振方向相同，从而使得强度最强的光通过偏振隔离器，第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲；耦合器的输出端为单模光纤，只输出基模光；基模光传输至少模光纤；压力型长周期光栅向少模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11；挤压型偏振控制器向少模光纤施加压力，使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b之间产生π/2相位差，然后线性叠加从而产生涡旋光。
2.如权利要求1所述的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源采用激光器。
3.如权利要求1所述的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤中掺杂物质为掺饵、掺镱、掺铥、掺铋和掺钕中的一种或多种的组合。
4.一种如权利要求1所述的涡旋光光纤激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)泵浦源发出泵浦光经波分复用器进入增益光纤，激发增益光纤中的增益介质产生自发辐射光，经过输出光耦合器和第一偏振控制器，进入偏振隔离器，变成线偏振光；再经过第二偏振控制器变成椭圆偏振光，经波分复用器继续在偏振旋转锁模环形腔循环，由于自相位调制和交叉相位调制产生非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第一偏振控制器选择把强度最强的光的偏振态转变成线偏振，并且偏振方向与偏振隔离器的透振方向相同，从而使得强度最强的光通过偏振隔离器，第一偏振控制器、偏振隔离器和第二偏振控制器形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲；
2)耦合器的输出端只输出基模光，基模光传输至少模光纤；
3)压力型长周期光栅向少模光纤施加压力，从而将基模转换为高阶模LP11模；
4)挤压型偏振控制器向少模光纤施加压力，压力大小与相位差成正相关，使得由高阶模LP11分解的正交的LP11a和LP11b之间产生π/2相位差，然后线性叠加从而产生涡旋光。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，通过调节第一和第二偏振控制器，控制在偏振旋转锁模环形腔中产生脉冲光或连续光；若偏振旋转锁模环形腔实现锁模则输出脉冲光，若偏振旋转锁模环形腔不锁模则输出连续光。
6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤3和4)中，通过控制压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器，调节涡旋光的拓扑荷的阶数。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，少模光纤采用双模光纤，通过控制压力型长周期光栅和挤压型偏振控制器，使得涡旋光的拓扑荷为0，+1或-1；如果压力型长周期光栅不施加力，则涡旋光的拓扑荷为0；如果压力型长周期光栅施加力同时挤压型偏振控制器施加的力使得高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生正π/2相位差，则涡旋光的拓扑荷为1；如果压力型长周期光栅施加力同时挤压型偏振控制器施加的力使得由高阶模LP11分解的两个正交分量LP11a和LP11b间产生负π/2相位差，则涡旋光的拓扑荷为-1。
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