CN110474226A - 一种涡旋光单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋光单频光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、增益离子环形掺杂的涡旋增益光纤、光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和涡旋光纤。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谐振腔内和输出端的产生和稳定传输。基于同阶模式泵浦机制和谐振腔滤模效应，使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光获得增益最大化，进而获得涡旋光激光。通过选频器和控制腔长，使得腔内只有一个纵模起振，保证涡旋光单频激光输出。本发明基于环形腔内单一模式直接谐振机制，输出的涡旋光单频激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

Description

一种涡旋光单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种涡旋光单频光纤激光器。

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涡旋光单频光纤激光器。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：

一种涡旋光单频光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、增益离子环形掺杂的涡旋增益光纤、光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和涡旋光纤；

所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；

所述波分复用器具有第一端口、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波分复用器的第一端口，所述波分复用器的第二端口经增益涡旋光纤连接至光纤隔离器的一端，所述光纤隔离器的另一端连接至选频器的一端，所述选频器的另一端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连接至波分复用器的第三端口，所述波分复用器、增益涡旋光纤、光纤隔离器、选频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涡旋光单频激光。

本发明提供的涡旋光单频光纤激光器为环形腔结构。基模泵浦源输出的基模泵浦光，通过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波分复用器进入增益涡旋光纤，激发增益涡旋光纤中的增益介质产生携带相同轨道角动量的自发辐射光，经过光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和波分复用器继续在环形腔循环。通过控制环形腔腔长和利用选频器的纵模选择特性，使得激光器以单纵模运转。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。这一环形腔设计确保了轨道角动量模式信号光在腔内的稳定存在并直接谐振激射。光纤耦合器的第三端口输出涡旋光单频激光。

优选地，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。

优选地，所述波分复用器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。

优选地，所述增益涡旋光纤为纤芯内环形掺杂镧系稀土发光离子、过渡金属离子或碱土金属离子中一种或多种组合的涡旋光纤。

优选地，所述选频器选用π相移光栅、法布里-珀罗（F-P腔）、萨格纳克(Sagnac)环、马赫-曾德尔滤波器或可饱和吸收体中的一种。

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、本发明基于同阶模式泵浦机制和谐振腔滤模效应，利用特定阶轨道角动量模式泵浦光对环形腔进行泵浦，使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光直接谐振，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中利用π相移光栅的涡旋光单频光纤激光器的示意图。

图中，1-基模泵浦源、2-偏振控制器、3-轨道角动量模式产生器、301-轨道角动量模式产生器第一端口、302-轨道角动量模式产生器第二端口、4-波分复用器、401-波分复用器第一端口、402-波分复用器第二端口、403-波分复用器第三端口、5-增益涡旋光纤、6-光纤隔离器、7-选频器、8-光纤耦合器、801-光纤耦合器第一端口、802-光纤耦合器第二端口、803-光纤耦合器第三端口、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、偏振控制器2、轨道角动量模式产生器3、波分复用器4、增益涡旋光纤5、光纤隔离器6、选频器7、光纤耦合器8和涡旋光纤9。其中，轨道角动量模式产生器3具有第一端口301和第二端口302；波分复用器4具有第一端口401、第二端口402和第三端口403；光纤耦合器8具有第一端口801、第二端口802和第三端口803；基模泵浦源1经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器3的第一端口301，偏振控制器2施加在单模光纤上，轨道角动量模式产生器3的第二端口302连接至波分复用器4的第一端口401，波分复用器4的第二端口402经增益涡旋光纤5连接至光纤隔离器6的一端，光纤隔离器6的另一端连接至选频器7的一端，选频器7的另一端连接至光纤耦合器8的第一端口801，光纤耦合器8的第二端口802连接至波分复用器4的第三端口403，波分复用器4、增益涡旋光纤5、光纤隔离器6、选频器7和光纤耦合器8经涡旋光纤9连接构成环形腔，光纤耦合器8的第三端口803输出涡旋光单频激光。

更具体地，在本实施例中，基模泵浦源1选用980nm半导体激光器；轨道角动量模式产生器3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301为单模光纤，第二端口302为梯度折射率光纤；波分复用器4的第一端口401、第二端口402和第三端口403均为梯度折射率光纤，能够实现拓扑荷数为1的980nm泵浦光高效率的注入进环形腔，同时拓扑荷数为1的1550nm信号光低损耗通过；增益涡旋光纤5选用纤芯内铒离子环形掺杂的梯度折射率光纤；选频器7选用π相移光栅，它是一种非均匀光栅，引入π相移，将会在相移光栅的反射谱阻带中心处引出一个纵模透射窗口，从而使该光纤激光器具有非常好的纵模选择特性；光纤耦合器8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处拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第一端口801、第二端口802和第三端口803均为梯度折射率光纤，第二端口802和第三端口803的分光比为90:10；涡旋光纤9选用支持980nm和1550nm处拓扑荷数为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。

在本实施例中，基模泵浦源1输出980nm的基模泵浦光，通过偏振控制器2和轨道角动量模式产生器3，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波分复用器4进入增益涡旋光纤5，激发增益涡旋光纤中的增益介质产生相同拓扑荷数的轨道角动量模式自发辐射光，经过光纤隔离器6、选频器7、光纤耦合器8和波分复用器4继续在环形腔循环。通过控制环形腔腔长和利用选频器7的纵模选择特性，使得激光器以单纵模运转。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，确保轨道角动量模式信号光在腔内的稳定存在并直接谐振放大。光纤耦合器8的第三端口803输出涡旋光单频激光。

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 (7)

1.一种涡旋光单频光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括基模泵浦源、偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、增益涡旋光纤、光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和涡旋光纤；

所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；

所述波分复用器具有第一端口、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波分复用器的第一端口，所述波分复用器的第二端口经涡旋增益光纤连接至光纤隔离器的一端，所述光纤隔离器的另一端连接至选频器的一端，所述选频器的另一端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连接至波分复用器的第三端口，所述光纤耦合器的第三端口输出涡旋光单频激光；

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、波分复用器、增益涡旋光纤、光纤隔离器、选频器和光纤耦合器均为涡旋光纤器件，支持阶轨道角动量模式在谐振腔内和输出端的产生和稳定传输；

所述选频器为超窄带纵模滤波器，使得谐振腔内有且只有一个纵模起振；

所述波分复用器、增益涡旋光纤、光纤隔离器、选频器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成环形谐振腔，基于同阶模式泵浦机制和谐振腔滤模效应，使得腔内同阶轨道角动量模式直接谐振，进而获得高纯度涡旋光单频激光输出。

2.根据权利要求1所述一种涡旋光单频光纤激光器，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所述一种涡旋光单频光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。

4.根据权利要求1所述一种涡旋光单频光纤激光器，其特征在于，所述增益涡旋光纤为纤芯内环形掺杂镧系稀土发光离子、过渡金属离子、或碱土金属离子一种或多种组合的涡旋光纤。

5.根据权利要求1所述一种涡旋光单频光纤激光器，其特征在于，所述选频器为π相移光栅、法布里-珀罗（F-P腔）、萨格纳克(Sagnac)环、马赫-曾德尔滤波器或可饱和吸收体中的一种。

6.根据权利要求1所述一种涡旋光单频光纤激光器，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。

7.根据权利要求1所述一种涡旋光单频光纤激光器，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。