CN110556691A - 一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直接谐振实现高模式纯度的短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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、窄带光纤光栅、增益离子环形掺杂的高增益涡旋光纤、宽带光纤光栅、光纤隔离器和涡旋光纤。本发明基于涡旋光纤的模式分离和优化设计，采用涡旋光纤器件以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，在短线形腔谐振基础上获得轨道角动量模式激光输出。本发明基于线形腔内单一模式直接谐振机制，输出的轨道角动量模式单频激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

Description

一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器。
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，采用超短线形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短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器。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：
一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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、窄带光纤光栅、增益离子环形掺杂的高增益涡旋光纤、宽带光纤光栅、光纤隔离器和涡旋光纤；
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与与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端经高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅的一端连接构成谐振腔，谐振腔产生的激光通过波分复用器的第三端口进入光纤隔离器，并最终从光隔离器的输出端输出。
本发明提供的轨道角动量模式单频光纤激光器为线形腔结构，基模泵浦源输出的基模泵浦源泵浦光，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由窄带光纤光栅、高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅构成的线形腔，激发环形掺杂的高增益涡旋光纤中的增益介质产生环形强度分布的自发辐射光。大部分自发辐射光在线形腔来回振荡。由于窄带光纤光栅的轨道角动量模式的反射峰与宽带光纤光栅的同阶轨道角动量模式反射峰重叠，则腔内仅有携带轨道角动量的纵模可以谐振，实现了腔内横模和纵模的选择。由于线形腔长极短，仅有几个厘米，腔内振荡的相邻纵模间隔大于窄带光纤光栅的发射谱宽或高增益涡旋光纤的增益谱宽，激光器则以单频运转。波分复用器、窄带光纤光栅、高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅由涡旋光纤连接构成。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短线形谐振腔内稳定传输。最终，实现稳定的高模式纯度单频轨道角动量模式激光依次经波分复用器的第三端口和光纤隔离器输出。
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，所述窄带光纤光栅为在涡旋光纤上刻写的布拉格光栅，轨道角动量模式反射峰的3dB反射带宽小于0.1nm，反射率为10-90%。
优选地，所述高增益涡旋光纤为纤芯环形掺杂高浓度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，单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5-3cm。。
优选地，所述宽带光纤光栅为在涡旋光纤上刻写的布拉格光栅，轨道角动量模式反射峰的3dB反射带宽为0.2～1nm，反射率大于80%。
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中的一种，传输的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明实现了特定阶轨道角动量模式在短线形腔内的直接谐振，获得的轨道角动量模式单频激光模式纯度高，光束质量好；
2、本发明利用短线形腔架构实现单频激光输出，结构简单紧凑，输出激光稳定性好；
3、本发明采用全光纤结构，具有成本低、转换效率高、易与光纤系统集成等优点。
附图说明
图1为实施例1中短线形腔轨道角动量模式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-窄带光纤光栅、6-高增益涡旋光纤、7-宽带光纤光栅、8-光纤隔离器、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所示为本实施例中的短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，包括基模泵浦源1、偏振控制器2、轨道角动量模式产生3、波分复用器4、窄带光纤光栅5、高增益涡旋光纤6、宽带光纤光栅7、光纤隔离器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；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与窄带光纤光栅5的一端连接，窄带光纤光栅5的另一端经高增益涡旋光纤6和宽带光纤光栅7的一端连接构成谐振腔，谐振腔产生的激光通过波分复用器4的第三端口403进入光纤隔离器8，并最终从光隔离器8的输出端输出。
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短线形腔，同时拓扑荷数为1的1550nm信号光低损耗通过；窄带光纤光栅5为在梯度折射率光纤上刻写的布拉格光栅，其对拓扑荷数为1的轨道角动量模式的3dB反射带宽为0.06nm，反射率为90%；高增益涡旋光纤6选用高浓度铒离子环形掺杂的梯度折射率光纤，总长度2cm，单位长度增益为2dB/cm；宽带光纤光栅7为在涡旋光纤9上刻写的布拉格光栅，其对拓扑荷数为1的轨道角动量模式的3dB反射带宽为0.2nm，反射率为99%；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进入由窄带光纤光栅5、高增益涡旋光纤6和宽带光纤光栅7构成的线形腔，激发铒离子环形掺杂的高增益涡旋光纤6产生环形强度分布的自发辐射光。大部分自发辐射光在线形腔来回振荡。由于窄带光纤光栅5对拓扑荷数为1的轨道角动量模式的反射峰与宽带光纤光栅7对拓扑荷数为1的轨道角动量模式的反射峰重叠，则腔内仅有携带拓扑荷数为1的轨道角动量的纵模可以谐振，实现了腔内横模和纵模的选择。由于线形腔长极短，仅有几个厘米，腔内振荡的相邻纵模间隔大于窄带光纤光栅5的发射谱宽或高增益涡旋光纤6的增益谱宽，激光器则以单频运转，波分复用器、窄带光纤光栅、高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅由特殊设计的涡旋光纤连接构成，能够确保轨道角动量模式在线形腔内稳定存在并直接谐振，最终，实现高模式纯度单频轨道角动量模式激光从波分复用器4的第三端口403经光纤隔离器8输出。
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)

1.一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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、窄带光纤光栅、增益离子环形掺杂的高增益涡旋光纤、宽带光纤光栅、光纤隔离器和涡旋光纤；
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与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端经高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅的一端连接构成短线形谐振腔，谐振腔产生的激光通过波分复用器的第三端口进入光纤隔离器，并最终从光隔离器的输出端输出；
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、窄带光纤光栅、高增益涡旋光纤和宽带光纤光栅均为涡旋光纤器件，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；
所述窄带光纤光栅的轨道角动量模式的反射峰与宽带光纤光栅的同阶轨道角动量模式反射峰重叠，确保腔内同阶轨道角动量模式的信号光直接谐振，进而在短线形腔谐振基础上获得高纯度轨道角动量模式单频激光输出。
2.根据权利要求1所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，其特征在于，所述窄带光纤光栅为在涡旋光纤上刻写的布拉格光栅，对轨道角动量模式的3dB反射带宽小于0.1nm，反射率为10-90%。
5.根据权利要求1所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，其特征在于，所述高增益涡旋光纤为纤芯内环形掺杂高浓度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，单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5-3cm。
6.根据权利要求1所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，其特征在于，所述宽带光纤光栅为在涡旋光纤上刻写的布拉格光栅，对轨道角动量模式的3dB反射带宽为0.2～1nm，反射率大于80%。
7.根据权利要求1所述一种短线形腔轨道角动量模式单频光纤激光器，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中的一种，传输的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4。
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