CN110556690B - 一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、光纤耦合器、锁模器和涡旋光纤。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，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获得增益最大化，进而在锁模器的作用下获得涡旋光锁模激光输出。本发明基于环形腔内单一模式直接谐振机制，输出的涡旋光锁模激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

Description

一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器。
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输出峰值功率、稳定性、模式纯度和带宽等方面提出了更高的要求。锁模脉冲激光由于具有窄脉冲宽度、高峰值功率、宽频谱宽度等优点可以满足这样的要求。同时，锁模脉冲激光在材料精细加工、强场激光与物质相互作用等领域也有着重要的应用，也是应用于波分复用和光时分复用实现未来大容量高速光纤通信的关键技术之一。将锁模脉冲激光和涡旋激光结合形成锁模脉冲涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光锁模激光器具有十分重要的意义。
锁模激光器有两种常用架构：基于块状光学元件的空间结构和基于光纤器件的光纤架构。相比于前者，锁模光纤激光器具有明显的优势，一方面光纤激光器的腔结构灵活（线形腔或环形腔），腔内可调参数多，便于产生锁模脉冲。另一方面锁模光纤激光器具有全光纤腔，而光纤本身具有很多特有的特性，如自相位调制、交叉相位调制、非线性偏振旋转等，合理利用这些特性可以有效改善脉冲质量。关于锁模光纤激光器的研究有很多，专利CN105428976A公布了一种锁模光纤激光器及脉冲激光产生方法，采用线形腔结构产生了锁模脉冲。专利CN106785842A公布了一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构实现高脉冲能量锁模脉冲输出。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，上述专利公布的锁模光纤激光器输出的脉冲为基横模锁模脉冲，是不能直接产生涡旋光锁模脉冲的。
目前，产生涡旋光锁模脉冲的方法是在传统锁模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，也就是将基横模锁模脉冲转换为轨道角动量模式锁模脉冲，例如专利CN105870768A、CN108963734A和CN108988112A。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式锁模激光，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，由传统锁模光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式锁模脉冲传输不稳定。因此，设计一种锁模光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式锁模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涡旋光锁模环形腔激光器。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：
一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、光纤耦合器、锁模器和涡旋光纤；
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，所述第一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耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口连接锁模器至波分复用器的第三端口，所述波分复用器、光纤耦合器、锁模器经涡旋光纤连接构成锁模环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出涡旋光锁模激光。
本发明提供的锁模光纤激光器为环形腔结构，基模泵浦源输出的基模泵浦光，通过第一偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定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涡旋增益光纤，激发涡旋增益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，经过光纤耦合器进入锁模器。再经过波分复用器继续在环形腔循环，由于锁模器的作用使得激光器锁模出现脉冲。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环形腔内稳定传输。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锁模激光。
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，所述涡旋增益光纤选用纤芯内环形掺杂的镧系稀土发光离子、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，所述所述锁模器为第二偏振控制器、偏振隔离器和第三偏振控制器顺次连接组成的非线性偏振旋转锁模器或第二偏振控制器、偏振隔离器和可饱和吸收体顺次连接组成的可饱和吸收锁模器。
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，作为腔外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、本发明利用被动锁模技术，调控简单，输出激光脉冲稳定性好；
4、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，提高了轨道角动量模式激光的实用性和可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器的示意图。
图2为实施例1中基于非线性偏振旋转效应的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器的示意图。
图3为实施例2中基于可饱和吸收体的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器的示意图。
图中，1-基模泵浦源、2-第一偏振控制器、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-涡旋增益光纤、6-光纤耦合器、601-光纤耦合器第一端口、602-光纤耦合器第二端口、603-光纤耦合器第三端口、7-锁模器、8-涡旋光纤、9-第二偏振控制器、10-偏振隔离器、11-第三偏振控制器、12-可饱和吸收体。
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所示为本发明提出的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，包括基模泵浦源1、第一偏振控制器2、轨道角动量模式产生器3、波分复用器4、涡旋增益光纤5、光纤耦合器6、锁模器7和涡旋光纤8。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6具有第一端口601、第二端口602和第三端口603；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，第一偏振控制器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经涡旋增益光纤5连接至光纤耦合器6的第一端口601，光纤耦合器6的第二端口602连接锁模器7、至波分复用器4的第三端口403，波分复用器4、光纤耦合器6、锁模器7、经涡旋光纤8连接构成锁模环形腔，光纤耦合器6的第三端口603输出锁模激光。
如图2所示为本实施例的基于非线性偏振旋转效应的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器的示意图。在本实施例中，锁模器7由第二偏振控制器9、偏振隔离器10和第三偏振控制器11组成。
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锁模环形腔，同时拓扑荷数为1的1550nm信号光低损耗通过；涡旋增益光纤5选用纤芯内铒离子环形掺杂的梯度折射率光纤；光纤耦合器6为梯度折射率光纤与梯度折射率光纤熔融拉锥制得的2×2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601、第二端口602、第三端口603和第四端口604均为梯度折射率光纤，第二端口602和第三端口603的分光比为90:10；涡旋光纤选用支持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，通过第一偏振控制器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进入涡旋增益光纤5，激发涡旋增益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，经过光纤耦合器6和第二偏振控制器9，进入偏振隔离器10，变成线偏振光。再经过第三偏振控制器11变成椭圆偏振光，经波分复用器4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的非线性相移，导致椭圆偏振光的长轴旋转，旋转的角度与光的强度有关，由第二偏振控制器9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10的透振方向相同，从而使得强度最强的光通过偏振隔离器10，第二偏振控制器9、偏振隔离器10和第三偏振控制器11形成类可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲。环形腔由支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤8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6的第三端口603输出轨道角动量模式锁模激光。
实施例2
如图3所示为本实施例的基于可饱和吸收体的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器的示意图。本实施例2结构与实施例1基本相似，区别在于，本实施例2中的锁模器7具体由第二偏振控制器9、偏振隔离器10和可饱和吸收体12组成。
更具体地，本实施例2中的基模泵浦源1、轨道角动量模式产生器3、波分复用器4、涡旋增益光纤5、光纤耦合器6和涡旋光纤8与实施例1选用的一致。可饱和吸收体选用碳纳米管，其两端的尾纤均为涡旋光纤。
在本实施例中，基模泵浦源1输出980nm的基模泵浦光，通过第一偏振控制器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进入涡旋增益光纤5，激发涡旋增益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，经过光纤耦合器6后依次进入第二偏振控制器9、偏振隔离器10和可饱和吸收体12。再经过波分复用器4继续在环形腔循环。由于可饱和吸收体使得激光器锁模出现脉冲。环形腔由支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤8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6的第三端口603输出轨道角动量模式锁模激光。
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 (5)

1.一种全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，其特征在于，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、光纤耦合器、锁模器和涡旋光纤；
所述轨道角动量模式产生器包括第一端口和第二端口；
所述波分复用器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
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，所述第一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耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口连接锁模器至波分复用器的第三端口，所述波分复用器、光纤耦合器、锁模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锁模激光；
所述涡旋光纤为对纤芯和包层的折射率优化设计以使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、涡旋增益光纤、光纤耦合器和锁模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；
所述波分复用器、光纤耦合器、锁模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，进而在锁模器作用下获得高纯度涡旋光锁模激光输出；
所述涡旋增益光纤为纤芯内环形掺杂的镧系稀土发光离子、过渡金属离子、碱土金属离子中一种或多种组合的涡旋光纤；
所述锁模器为第二偏振控制器、偏振隔离器和第三偏振控制器组成的非线性偏振旋转锁模器或第二偏振控制器、偏振隔离器和可饱和吸收体组成的可饱和吸收锁模器。
2.根据权利要求1所述的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，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所述的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，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所述的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，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2×2耦合器，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口均采用涡旋光纤。
5.根据权利要求1所述的全光纤涡旋光锁模环形腔激光器，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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