CN109802285A - 一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，该激光器包括依次连接的泵浦源(1)，波分复用器(2)，输入光栅(3)，增益光纤(4)，光纤模式过滤器(5)、基于环形芯光纤的可饱和吸收体(6)和输出端(7)，激光器所使用的光纤为环形芯光纤，其具有较高的折射率差，降低了LP11模式间的简并度，有效减少了LP11内矢量模式间的相互耦合，使得TE01模式能够在激光腔内稳定存在，并通过在腔内加入可饱和吸收体，实现稳定的单一柱矢量模式脉冲激光输出。本发明首次提出了产生稳定的单一柱矢量模式脉冲激光的方法，有利于柱矢量脉冲光纤激光器的应用。本发明可以应用于激光加工、显微成像和光存储等领域。

Description

一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及脉冲光纤激光器技术领域，具体公开了一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器。

背景技术

柱矢量光束由于其特殊的模场分布和偏振特性，在光镊、粒子加速、显微成像和激光加工等领域有着广泛应用。在激光加工方面，径向偏振光在聚焦后相对于传统圆偏振光束具有更强的纵向电场分量，其金属切割的效率可以提升2倍以上，且切割面具有更大的纵深比，提高了切割的质量和效率。在显微成像方面，基于柱矢量光束的光学探针可以达到原子级别的分辨率，大大提升分辨能力。而脉冲激光由于其脉冲能量高、峰值功率高、作用时间短更能满足实际应用的要求。而目前柱矢量脉冲光纤激光器主要通过错位耦合、模式选择耦合器等方式，将LP01模式耦合到LP11模式，再通过偏振控制器实现特定模式的柱矢量脉冲激光输出。但现有的方式由于LP11模式在普通光纤内简并度高，存在着稳定性差、实用性低的特点，因此限制了柱矢量脉冲光纤激光器的实际应用。

发明内容

解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有柱矢量脉冲光纤激光器稳定性差，实用性低的缺陷，基于自主设计制作的高折射率差的环形芯光纤和光纤模式过滤器，设计了一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器以及输入光栅，所述泵浦源通过尾纤熔接在波分复用器的泵浦端，所述波分复用器的输出端通过尾纤熔接在输入光栅的尾纤上，还包括环形芯光纤、熔接在所述输入光栅另一尾纤端的增益光纤、光纤模式过滤器、可饱和吸收体以及输出光栅，其中所述光纤模式过滤器熔接在增益光纤与可饱和吸收体之间，所述可饱和吸收体的另一尾纤端与输出光栅的其中一个尾纤端熔接，所述输出光栅的另一尾纤端作为激光器的输出端。

通过采用环形芯光纤，降低了LP11模式的简并度，减少了TE01模式与LP11其它模式的相互耦合，使得TE01模式能够在激光腔内稳定存在。

激光器谐振腔内加入了光纤模式过滤器，使得TE01模式在模式竞争中成为优势模，并通过可饱和吸收体产生TE01模式的脉冲激光，最后通过光栅输出。

泵浦源用于提供能量，波分复用器用于将泵浦光与信号光分离和复合，输出光栅用于透射泵浦光并反射信号光，增益光纤用于提供增益，产生信号光，光纤模式过滤器用于衰减光纤中TE01模式以外的模式，可饱和吸收体用于产生脉冲，输出光栅用于输出脉冲激光。

优选的，所述输入光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的LP11模式的反射率为50％-100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过。

优选的，所述输出光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对LP11模式的反射率为 10％-99％。

其中，所述环形芯光纤的纤芯部分是环形的导模层，导模层内部为低折射率层，导模层外部为包层，所述导模层通过在二氧化硅中掺锗制作而成，所述低折射率层材料为空气或普通二氧化硅，所述包层为纯二氧化硅；所述导模层的折射率与包层折射率之差为0.02-0.04，且所述导模层厚度为1μm-3μm；这一结构可以增大TE01模式与其它模式间的有效折射率差，从而减少模式间的耦合。

优选的，所述增益光纤为在环形芯光纤的导模层中掺杂稀土元素制作而成。

优选的，所述光纤模式过滤器是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层表面镀上50-500nm厚的金属膜层制成的；这个范围内的包层厚度使得金属膜层可以对包层内的倏逝场产生损耗，包层厚度太小会导致损耗过大，厚度太大会导致损耗过小，金属材料包括但不限于金、银、铜、铝。

其中，所述可饱和吸收体是先将环形芯光纤侧面抛磨或腐蚀，使得环形芯光纤的包层厚度减少至0-3μm，然后将可饱和吸收体薄膜覆盖在环形芯光纤抛磨面而制成。

所述可饱和吸收体薄膜优选为石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硫化钨以及黑磷中的一种。

本发明与现有技术相比的优点为：

(1)本发明的所有器件均通过光纤直接熔接相连，为全光纤结构，结构紧凑稳定。

(2)本发明采用环形芯光纤降低了LP11模式简并度，通过光纤模式过滤器过滤除TE01 模式以外的模式，实现了TE01模式在激光腔内稳定存在，无须调控偏振态，并通过集成在光纤表面的可饱和吸收体产生脉冲激光，实现稳定的单一柱矢量模式脉冲激光输出。

附图说明

图1为本发明的一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器结构示意图。

图2为环形芯光纤横截面示意图。

图3为光纤模式过滤器横截面示意图。

图4为可饱和吸收体结构示意图。

图中的附图标记解释为：1-泵浦源，2-波分复用器，3-输入光栅，4-增益光纤，5-光纤模式选择器，6-可饱和吸收体，7-输出光栅，8-包层，9-导模层，10-低折射率层，11-金属膜层， 12-侧面抛磨的环形芯光纤，13-可饱和吸收体薄膜、14-环形芯光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细描叙。

参照图1，为本发明的一个应用实例——单一柱矢量模式输出的脉冲光纤激光器。该激光器中，泵浦源1采用中心波长为975nm的半导体激光器，波分复用器2采用975nm/1064nm 波分复用器，泵浦源1的尾纤通过熔接的方式与波分复用器2的泵浦端相连，输入光栅3两端分别采用尾纤熔接的方式与波分复用器2的输出端及增益光纤4的其中一个尾纤端相连。

输入光栅3采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的LP11模式的反射率接近100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过。

环形芯光纤14的结构参照图2，其导模层9为环形分布掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层10为普通二氧化硅，包层8为纯二氧化硅。

增益光纤4的结构参照图2，增益光纤4为掺镱的环形芯光纤，可以吸收泵浦光，产生信号光。

光纤模式过滤器5的结构参照图3，是通过将环形芯光纤14的包层8腐蚀至1.5μm厚，再在包层8表面镀上100nm厚的铝膜。

可饱和吸收体6的结构参照图4，是先将环形芯光纤14侧面抛磨，使得光纤包层8厚度减少至0-3μm，这个厚度范围使得可饱和吸收体6可以对包层8中的倏逝波产生影响，然后将石墨烯薄膜覆盖在光纤抛磨面，通过石墨烯与倏逝场的作用产生脉冲。

光纤模式过滤器5两端分别用熔接的方式与增益光纤4及可饱和吸收体6相连，输出光栅7为刻制在环形芯光纤14上的光栅，其对1064nm波段的LP11模式的反射率为90％，输出光栅7其中一个尾纤端与可饱和吸收体6通过熔接连接，输出光栅7的另一尾纤端作为激光器的输出端。

所设计的光纤模式过滤器5对于TE01模式的损耗最小，并且与其它模式的损耗差大于 15dB/cm。当泵浦光进入增益光纤后会产生不同模式的信号光，这些不同模式的信号光在通过光纤模式过滤器5后会经历不同程度的损耗，其中TE01模式的损耗最小，在模式竞争中成为优势模，光束在激光腔内不断振荡最终只有TE01模式存在，并通过可饱和吸收体6产生脉冲激光，最终从输出光栅7输出。

本发明的优势在于采用环形芯光纤14降低了LP11模式的简并度，减少了TE01模式与 LP11其它模式的相互耦合，使得TE01模式在激光腔内稳定存在。激光器谐振腔内加入光纤模式过滤器5，使得TE01模式在腔内发生谐振，并通过加入可饱和吸收体6产生了稳定的TE01模式脉冲激光输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，包括泵浦源(1)、波分复用器(2)以及输入光栅(3)，所述泵浦源(1)通过尾纤熔接在波分复用器(2)的泵浦端，所述波分复用器(2)的输出端通过尾纤熔接在输入光栅(3)的尾纤上，其特征在于，还包括环形芯光纤(14)、熔接在所述输入光栅(3)另一尾纤端的增益光纤(4)、光纤模式过滤器(5)、可饱和吸收体(6)以及输出光栅(7)，其中所述光纤模式过滤器(5)熔接在增益光纤(4)与可饱和吸收体(6)之间，所述可饱和吸收体(6)的另一尾纤端与输出光栅(7)的其中一个尾纤端熔接，所述输出光栅(7)的另一尾纤端作为激光器的输出端。

2.根据权利要求1所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输入光栅(3)采用刻制在环形芯光纤(14)上的光栅，其对1064nm波段的LP11模式的反射率为50％-100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过。

3.根据权利要求1所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输出光栅(7)采用刻制在环形芯光纤(14)上的光栅，其对LP11模式的反射率为10％-99％。

4.根据权利要求2或3所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述环形芯光纤(14)的纤芯部分是环形的导模层(9)，导模层(9)内部为低折射率层(10)，导模层(9)外部为包层(8)。

5.根据权利要求4所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述导模层(9)通过在二氧化硅中掺锗制作而成，所述低折射率层(10)材料为空气或普通二氧化硅，所述包层(8)为纯二氧化硅。

6.根据权利要求5所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述导模层(9)的折射率与包层(8)折射率之差为0.02-0.04，且所述导模层(9)厚度为1μm-3μm。

7.根据权利要求5所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(4)为在环形芯光纤(14)的导模层(9)中掺杂稀土元素制作而成。

8.根据权利要求6所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤模式过滤器(5)是通过将环形芯光纤(14)的包层(8)腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层(8)表面镀上50-500nm厚的金属膜层(11)制成的。

9.根据权利要求6所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体(6)是先将环形芯光纤(14)侧面抛磨或腐蚀，使得环形芯光纤(14)的包层(8)厚度减少至0-3μm，然后将可饱和吸收体薄膜(13)覆盖在环形芯光纤(14)抛磨面而制成。

10.根据权利要求9所述的线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体薄膜(13)为石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硫化钨以及黑磷中的一种。