CN110459940A - 一种全光纤布里渊单频涡旋激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤。本发明基于涡旋光纤的模式分离和优化设计，采用涡旋光纤器件可确保特定阶轨道角动量模式在腔内和输出端的产生和稳定传输。基于同阶模式泵浦机制，使得腔内同阶轨道角动量模式的布里渊信号光直接谐振。通过控制环形腔腔长，使得腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在腔内只有一个纵模起振，可保证单频涡旋激光输出。本发明基于环形腔内单一模式直接谐振机制，输出的单频涡旋激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

Description

一种全光纤布里渊单频涡旋激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种全光纤布里渊单频涡旋激光器。
背景技术
涡旋光束是场分布带有螺旋相位项exp(ilφ)的一种光束，光束中每个光子携带lh的轨道角动量（l为拓扑荷数，φ为方位角，h为普朗克常量），具有环形光场分布和螺旋相位奇点的特点。这些独特的性质使其被广泛应用于材料加工、光镊、高分辨率成像、光纤传感和光纤通信等领域。但是，这些应用前景对漩涡光束的单色性、相干性、模式纯度和稳定性等方面提出了更高的要求。单频光纤激光器由于具有窄线宽、高单色性和相干性等优点可以满足这样的要求。同时，单频光纤激光器已成为密集波分复用光通信系统、相干光通信系统、分布式光纤传感系统和相干激光雷达等领域的重要激光光源。将单频激光和涡旋激光结合形成单频涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光单频光纤激光器具有十分重要的意义。
关于单频光纤激光器的研究有很多，专利CN109149330A公布了一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，采用超短线型腔架构实现噪声性能优异和线宽极窄的单频激光输出。专利CN106410599A公布了一种布里渊单纵模移频光纤激光器，利用复合腔的选模特性实现单纵模激光输出。实际上，光波在光纤传输时，由于纤芯边界的限制，求解光波传输的亥姆霍兹方程得到的是不连续的电磁场解，这种不连续的场解称为模式，包括基横模和高阶横模。传统单模光纤中稳定传输的模式即为基横模。而光纤中的涡旋光是由高阶矢量横模（HE或EH）的奇模和偶模以π/2相位差叠加而成，也称为轨道角动量模式。很显然，上述专利公布的单频光纤激光器输出的为基横模单频激光，是不能直接产生涡旋光单频激光的。
在传统单频光纤激光器的输出端外加轨道角动量模式产生器或转换器是一种很容易想到的间接产生方案，也就是将基横模单频激光转换为轨道角动量模式单频激光。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式单频激光，但激光性能严重依赖于轨道角动量模式产生器或转换器的性能，输出激光的功率会随之降低，模式纯度偏低，光束质量较差。另外，大多数的光纤型轨道角动量模式产生器或转换器是基于单模光纤和传统少模光纤或多模光纤制得。传统单模光纤只支持基横模的传输，传统少模光纤或多模光纤中由于弱波导近似使相近传播常数的高阶矢量横模简并为线偏振模式，均无法满足轨道角动量模式在光纤中稳定传输。因此，由传统单频光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式单频激光传输不稳定。因此，设计一种单频光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式单频激光具有十分重要的意义。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种全光纤布里渊单频涡旋激光器。具有结构简单、成本低、易于光纤系统集成、输出激光轨道角动量模式纯度高和稳定性好的优点。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤；
所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；
所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述偏振控制器施加在轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口，所述第三偏振控制器施加在光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光。
本发明提供的布里渊单频涡旋激光器为环形腔结构。基模泵浦源输出的基模泵浦光经过光放大器进行功率放大后，通过第一偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定拓扑荷数的轨道角动量模式泵浦光。轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器后进入由光纤环形器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成环形腔，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的相同拓扑荷数的轨道角动量模式布里渊信号光。轨道角动量模式布里渊信号光经过第三偏振控制器、光纤耦合器和环形器在环形腔循环。环形腔由涡旋光纤及基于涡旋光纤的器件连接构成。相比于传统少模光纤或多模光纤，涡旋光纤的设计思路是增大纤芯和包层的折射率对比度，以打破传播常数相近的矢量模式简并，即光纤支持的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4，进而实现轨道角动量模式在谐振腔内稳定传输。当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，轨道角动量模式布里渊信号光在环形腔内稳定存在并直接谐振放大。通过控制环形腔腔长，使得腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在布里渊增益谱范围内有且只有一个纵模起振并形成激光出射。光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光。
优选地，所述轨道角动量模式产生器为光纤型器件，具体地，可选用熔融型光纤模式选择耦合器、长周期光纤光栅或手性光纤光栅，模式转换效率大于70%，模式纯度大于80%，第一端口采用单模光纤，第二端口采用涡旋光纤。
优选地，所述光纤环形器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
优选地，所述光纤耦合器组选用涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
优选地，所述环形腔的腔长小于6m。
优选地，所述涡旋光纤选用支持轨道角动量模式稳定传输的阶跃折射率环芯光纤、梯度折射率环芯光纤、梯度折射率光纤或逆抛物线折射率光纤。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明利用光纤型轨道角动量模式产生器和耦合器，作为泵浦模式转换器件和激光输出耦合器件，具有损耗小，效率高的优点；
2、本发明利用支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤连接构成环形腔，基于涡旋光纤中的布里渊非线性效应，实现轨道角动量模式腔内直接谐振放大，获得的激光模式纯度高，光束质量好；
3、本发明采用全光纤结构，具有结构简单，成本低，易于光纤系统集成等优点。
附图说明
图1为实施例1中的全光纤布里渊单频涡旋激光器的示意图。
图中，1-基模泵浦源、2-光放大器、3-第一偏振控制器、4-轨道角动量模式产生器、401-轨道角动量模式产生器第一端口、402-轨道角动量模式产生器第二端口、5-第二偏振控制器、6-光纤环形器、601-光纤环形器第一端口、602-光纤环形器第二端口、603-光纤环形器第三端口、7-光纤耦合器、701-光纤耦合器第一端口、702-光纤耦合器第二端口、703-光纤耦合器第三端口、8-第三偏振控制器、9-涡旋光纤。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示为本实施例的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，包括基模泵浦源1、光放大器2、第一偏振控制器3、轨道角动量模式产生器4、第二偏振控制器5、光纤环形器6、光纤耦合器7、第三偏振控制器8和涡旋光纤9。其中，轨道角动量模式产生器4具有第一端口401和第二端口402；光纤环形器6具有第一端口601、第二端口602和第三端口603；光纤耦合器7具有第一端口701、第二端口702和第三端口703；基模泵浦源1经单模光纤连接至光放大器2，光放大器2经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器4的第一端口401，第一偏振控制器3施加在轨道角动量模式产生器4第一端口401的单模光纤上，轨道角动量模式产生器4的第二端口402经涡旋光纤连接至光纤环形器6的第一端口601，第二偏振控制器5施加在光纤环形器6第一端口601的涡旋光纤上，光纤环形器6的第二端口602经涡旋光纤连接至光纤耦合器7的第一端口701，光纤耦合器7的第二端口702经涡旋光纤连接至光纤环形器6的第三端口603，第三偏振控制器8施加在光纤耦合器7第二端口702的涡旋光纤9上，光纤环形器6和光纤耦合器7经涡旋光纤9连接构成环形腔，光纤耦合器7的第三端口703输出单频涡旋激光。
更具体地，在本实施例中，基模泵浦源1选用1550nm光纤激光器；光放大器2选用掺铒光纤放大器；轨道角动量模式产生器4选用熔融型光纤模式选择耦合器，由常规单模光纤与支持拓扑荷数为1的轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤熔融拉锥制得，熔融拉锥前根据单模光纤中HE11模式和梯度折射率光纤中HE21模式的相位匹配条件确定单模光纤和梯度折射率光纤的直径比，拉锥时在单模光纤中注入基模，当在梯度折射率光纤中观察到最大光功率以及圆环光斑时停止拉锥，即实现了单模光纤中的基模和梯度折射率光纤中拓扑荷数为1的轨道角动量模式间的定向选择耦合，模式转换效率为80%，模式纯度为90%，第一端口401为单模光纤，第二端口402为梯度折射率光纤；光纤环形器6的第一端口601、第二端口602和第三端口603均为梯度折射率光纤，能够实现拓扑荷数为1的1550nm泵浦光高效率的注入进环形腔，同时拓扑荷数为1的1550nm波长附近的信号光低损耗通过；光纤耦合器7为梯度折射率光纤与梯度折射率光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，能够实现1550nm波长附近的拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第一端口701、第二端口702和第三端口703均为梯度折射率光纤，第二端口702和第三端口703的分光比为90:10；涡旋光纤9选用支持1550nm波段拓扑荷数为1的轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤，传输的各矢量模式间的有效折射率差最小为1.5×10-4，可以理解的是，本实施例中用到的梯度折射率光纤为同一种，在确保轨道角动量模式稳定传输时进一步减小光路中损耗；光纤环形器6和光纤耦合器7经梯度折射率光纤连接构成环形腔的腔长为4m。
在本实施例中，基模泵浦源1输出1550nm的基模泵浦光经过光放大器2进行功率放大后，通过第一偏振控制器3和轨道角动量模式产生器4，转换为拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光。拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器5后进入由光纤环形器6和光纤耦合器7经梯度折射率光纤连接构成环形腔，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的轨道角动量模式布里渊信号光。轨道角动量模式布里渊信号光经过第三偏振控制器8、光纤耦合器7和环形器6在环形腔循环。环形腔由支持轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤连接构成，当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，轨道角动量模式布里渊信号光在环形腔内稳定存在并直接谐振放大。通过控制环形腔腔长，使得腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在布里渊增益谱范围内有且只有一个纵模起振并形成激光出射。光纤耦合器7的第三端口703输出单频涡旋激光。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤；
所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；
所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述第一偏振控制器施加在轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口，所述第三偏振控制器施加在光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光；
所述涡旋光纤为纤芯和包层的折射率满足高折射率对比度以使涡旋光纤中支持的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4进而支持轨道角动量模式稳定传输的光纤；
所述轨道角动量模式产生器、光纤环形器和光纤耦合器均为涡旋光纤器件，支持轨道角动量模式在谐振腔内和输出端的产生和稳定传输；
所述光纤环形器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成超短环形谐振腔，基于同阶模式泵浦机制，使得腔内同阶轨道角动量模式的布里渊信号光直接谐振，进而获得高纯度单频涡旋激光输出。
2.根据权利要求1所述一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于，所述轨道角动量模式产生器为熔融型光纤模式选择耦合器、长周期光纤光栅或手性光纤光栅，模式转换效率大于70%，模式纯度大于80%，第一端口采用单模光纤，第二端口采用涡旋光纤。
3.根据权利要求1所述一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于，所述光纤环形器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
4.根据权利要求1所述一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于，所述光纤耦合器为涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
5.根据权利要求1所述一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于，所述环形腔的腔长小于6m。
6.根据权利要求1所述一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于，所述涡旋光纤为支持轨道角动量模式稳定传输的阶跃折射率环芯光纤、梯度折射率环芯光纤、梯度折射率光纤或逆抛物线折射率光纤。
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