CN110581432A - 基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法 - Google Patents

基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法，所述激光器包括：激光源，用于发出激光信号至第一光纤中；光纤微腔，由第二光纤端面与所述第一光纤端面共同构成，所述第一光纤端面和第二光纤端面至少有一光纤端面为椭球腔面；以及调节部，用于调节所述第一光纤和第二光纤之间的距离或旋转角度，实现最终输出激光信号劈裂程度可调。所述制备方法包括：步骤S1：根据要获得的劈裂程度确定椭球腔面的尺寸数据；步骤S2：根据椭球腔面的尺寸数确定加工所用的脉冲激光的间隔距离及数量；步骤S3：控制脉冲激光的脉冲间隔及强度，完成预定尺寸的椭球腔面的加工，镀膜后完成基于椭球腔面的光纤的制备。

Description

基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法
技术领域
本公开涉及基础光学元件技术领域，尤其涉及一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法，其基于光纤法布里珀罗腔(FFPC)和激光加工技术，实现了一种可在较大范围偏振模式劈裂程度的微腔结构的激光器。
背景技术
光纤法布里珀罗腔(FFPC)由于结构可靠性高、受环境影响小、腔内模式体积小等优点，近些年来被广泛运用于量子信息研究，例如光子纠缠、原子分子物理、固态存储器等，以上研究都需要高精密度的光纤微腔支持。目前的研究中，为了提高微腔的性能，研究人员在消偏微腔方面做了不少工作，并且因此在量子电动力学(CQED)领域取得了一些成果，但对偏振劈裂的微腔的研究却没有很深入的研究。目前，大多数量子信息研究都基于自旋编码的量子力学系统，尤其是长相干时间的原子核自旋能级编码，为了有效的制备和控制自旋状态，对偏振劈裂微腔的需求是存在的。例如在使用拉曼效应控制原子的超精细能级时，对劈裂程度的要求大约在GHz量级；并且由于不同原子的精细能级结构不同，若实验需要选取特定的能级，则需要我们能实现对腔劈裂程度的控制。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法，以缓解现有技术中难以通过脉冲激光精细加工光纤端面、且有效控制腔劈裂程度等技术问题。
(二)技术方案
在本公开的一个方面，提供一种基于椭球腔面的光纤微腔，由第一光纤端面与第二光纤端面共同构成，所述第一光纤和第二光纤同轴设置；所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面。
在本公开实施例中，根据权利要求1所述的基于椭球腔面的光纤微腔，所述第一光纤端面和第二光纤端面的间距为光纤微腔的腔长，腔长在1-1000μm。
在本公开实施例中，所述凹椭球腔面的典型深度为0.1至20微米。
在本公开实施例中，所述凹椭球腔面横截面的长轴与短轴的曲率半径比值的典型值在1.1至10之间。
在本公开实施例中，所述第一光纤端面和第二光纤端面镀有高反膜；镀膜后对激光反射率的典型值高于99％。
在本公开的另一方面，提供一种基于椭球腔面的光纤微腔的激光器，包括：
激光源，用于发出激光信号至第一光纤中；
以上任一项所述的光纤微腔；由第二光纤端面与所述第一光纤端面共同构成，所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面；以及
调节部，用于调节所述第一光纤和第二光纤之间的距离或旋转角度，实现最终输出激光信号劈裂程度可调。
在本公开的又一方面，提供一种基于椭球腔面的光纤的制备方法，用于制备具有以上任一项所述光纤微腔的光纤，所述基于椭球腔面的光纤的制备方法，包括：
步骤S1：根据要获得的劈裂程度确定椭球腔面的尺寸数据；
步骤S2：根据椭球腔面的尺寸数确定加工所用的脉冲激光的间隔距离及数量；以及
步骤S3：控制脉冲激光的脉冲间隔及强度，完成预定尺寸的椭球腔面的加工，镀膜后完成基于椭球腔面的光纤的制备。
在本公开实施例中，步骤S1中，光纤的椭球腔面内驻波的频率劈裂Δv，可由如下公式表征：
其中，ΔφA表示两种偏振的极化模式在第一光纤端面处的相位差；ΔφB表示两种偏振的极化模式在第二光纤端面处的相位差，θ表示偏振方向与椭球腔面长轴的夹角。
在本公开实施例中，ΔφA、ΔφB可由如下公式计算得到：
其中，∈A为第一光纤端面的椭球腔面的偏心率，∈B为第二光纤端面的椭球腔面的偏心率，k为激光波长对应的波矢，为第一光纤端面的椭球腔面的短轴长；为第二光纤端面的椭球腔面的短轴长。
在本公开实施例中，腔长为L时的自由光谱范围vFSR公式表达如下：
其中，c为介质光速。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)实现可控的、偏振劈裂可调的光纤微腔结构的制备；
(2)组合后的光纤微腔，偏振劈裂的大小易调整、可调范围大。
附图说明
图1是本公开实施例基于椭球腔面的光纤微腔的激光器的组成示意图。
图2是本公开实施例图1中所示基于椭球腔面的光纤微腔的组成结构示意图。
图3是本公开实施例图2中所示光纤微腔的一椭球腔面的结构示意图。
图4是本公开实施例基于椭球腔面的光纤的制备方法流程示意图。
图5是本公开实施例基于椭球腔面的光纤的制备方法中脉冲激光的分布及加工顺序示意图。
图6是本公开实施例基于椭球腔面的光纤的制备方法中脉冲激光的参数示意图。
图7是本公开实施例基于椭球腔面的光纤的椭球腔面ROC参数示意图。
图8是本公开实施例基于椭球腔面的光纤微腔的激光器发出的劈裂可调激光信号的特性参数示意图。
图9是本公开实施例图8中单个峰的细节展示示意图。
图10是本公开实施例旋转偏振方向，测量频率劈裂程度的结果示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-第一光纤；2-第二光纤；3-第一光纤端面；4-第二光纤端面；
5-第一光纤端面拟合圆；6-第二光纤端面拟合圆；
7-光纤微腔内拟合光场分布。
具体实施方式
本公开提供了一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法，通过使用多脉冲激光，在光纤端面加工出椭球腔面的光纤微腔结构，并通过调节脉冲数量和强度等参数，控制椭球腔面偏心率，从而实现可调的偏振劈裂目的。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，结合图2至3所示，提供一种基于椭球腔面的光纤微腔，由第一光纤端面与第二光纤端面共同构成，所述第一光纤和第二光纤同轴设置；所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面。
所述椭球腔面为凹椭球面；
所述凹椭球腔面的典型深度为0.1至20微米；
所述凹椭球腔面横截面的长轴与短轴的长度比(长轴与短轴的曲率半径比值的典型值)为1.1至10；
所述第一光纤端面和第二光纤端面镀有高反膜；镀膜后对672nm激光反射率的典型值高于99％。
所述第一光纤和第二光纤同轴设置；所述第一光纤端面和第二光纤端面的间距即为光纤微腔的腔长，腔长范围在1-1000μm范围内，根据具体对偏振模式劈裂大小的需求以及激光微腔的调谐范围，通过测量透过谱确定，粗略确定一个合适的值；
在本公开实施例中，提供一种基于椭球腔面的光纤微腔的激光器，结合图1至图3所示，所述基于椭球腔面的光纤微腔的激光器，包括：
激光源，用于发出激光信号至第一光纤中；
光纤微腔，以上所述的光纤微腔；由第二光纤端面与所述第一光纤端面共同构成，所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面；；以及
调节部，用于调节所述第一光纤和第二光纤之间的距离或旋转角度，实现最终输出激光信号劈裂程度精确可调；
在本公开实施例中，如图1所示，应用具有椭球腔面的光纤组合成可以形成劈裂的微腔结构，激光源为672nm激光器，第一、第二调节部用于光纤固定、旋转；既能固定光纤，又可沿轴向旋转光纤，达到调整光纤端面(椭球腔面)相对输入激光偏振方向的角度，实现最终输出激光信号劈裂程度的调整的目的；本实施例仅用于说明基础的功能展示，凡是基于本申请的技术思想所做的相应扩展，也不脱离本申请的保护范围；图中所示两根同轴光纤的端面组成的光纤微腔结构，其一个端面为凹椭球腔面，另一端为普通光纤、或也为端面为椭球腔面的光纤，两部分必须共轴地严格对准，并调节到合适的距离使得微腔能正常工作，调节所需要用到的位移台等仪器未在图中画出；如图2所示，两光纤呈一定角度固定对应，因此在某一偏振方向上，光纤端面加工位置具有不同的曲率半径，且对于不同偏振方向，曲率半径的差异也不同(5，6分别是第一光纤，第二光纤端面的拟合圆，具有不同半径)，7为光纤微腔内拟合光场分布示意；根据计算，在腔内形成的共振模式中，会出现劈裂的两种成分，并与光纤端面几何结构、光纤安装角度有关。
在本公开实施例中，还提供一种基于椭球腔面的光纤的制备方法，使用多脉冲激光，在光纤端面加工出凹椭球腔面，结合图4至图6所示，所述基于椭球腔面的光纤的制备方法，包括：
步骤S1：根据要获得的劈裂程度确定椭球腔面的尺寸数据；
步骤S2：根据椭球腔面的尺寸数确定加工所用的脉冲激光的间隔距离及数量；
步骤S3：控制脉冲激光的脉冲间隔及强度，完成预定尺寸的椭球腔面的加工，镀膜后完成基于椭球腔面的光纤的制备。
通过调节脉冲数量和强度等参数，控制椭球腔面偏心率，从而使组合后的光纤微腔具有可调的偏振劈裂；对于凹椭球腔面内驻波的频率劈裂Δv，可由如下公式表征：
其中，ΔφA表示两种偏振的极化模式在第一光纤端面(第一腔镜)处的相位差；ΔφB表示两种偏振的极化模式在第二光纤端面(第二腔镜)处的相位差，θ表示偏振方向与椭球腔面长轴的夹角。
ΔφA、ΔφB可由如下公式计算得到：
其中，∈A为第一光纤端面的椭球腔面的偏心率，∈B为第二光纤端面的椭球腔面的偏心率，偏心率的定义为Rmin和Rmax分别对应椭球面的短轴曲率半径和长轴曲率半径，k为激光波长对应的波矢，为第一光纤端面的椭球腔面的短轴长；为第二光纤端面的椭球腔面的短轴长。
腔长为L时的自由光谱范围vFSR公式表达如下：
其中，c为介质光速(对于空气腔可简单取为真空光速)；
从以上公式中我们可以看出，偏振劈裂的程度与腔长L反相关，且不同极化模式在腔镜处的相位差越大，劈裂程度越大。因此，通过控制椭球腔面的偏心率，就可以实现对劈裂程度的控制；而通过控制激光脉冲的数量和脉冲长度，我们可以得到不同偏心率的椭球腔面结构，且其轴长在一定范围内可调。另外，注意到cosθ在上范围为(0，1]，因此通过旋转一端的光纤方向，可以在加工结束后实现更精细程度的劈裂程度微调。通过事先预估所需的偏振劈裂程度来制定加工参数，并在加工完成的后续使用中通过旋转光纤方向来调整劈裂，使得该发明结构能够在很大范围上实现较高精度的可调劈裂。
本公开实施例中，使用激光脉冲来加工光纤端面，通过对加工激光的选模，使得加工位点的光斑具有很好的高斯性，因此加工结构的对称性、平整度较高，使得椭球腔面形成的组合腔(偏振微腔)具有很高的精细度(Finesse)。对于腔内共振模式每个单独的峰，其半高全宽(FWHM)可以指示腔的精细程度，并有δv即半高全宽，F为腔的精细度，vFSR为自由光谱范围。在自由光谱范围一定的条件下，越精细的腔，其峰宽越窄，对相干位置的指示越准确。由于精细度F仅与腔内损耗、镜面镀膜反射率有关，因此在加工端面平整对称、损耗不高的情况下，只需要通过提高镀膜反射率便可以获得很高精细度的微腔，本发明的精细度典型值可达3000以上，可以满足绝大部分应用场景的精细度要求。
在本公开实施例中，如图5所示，在光纤的端面上的一维方向，使用多脉冲激光相距ΔX对其进行加工，加工脉冲时长与间隔如图6所示，得到了凹椭球面的椭球腔面结构，其位于光纤端面平面的两个轴向上具有不同的曲率半径(ROC)(如图7所示)，且拟合误差在10nm以下。
通过对几根672nm的单模光纤端面进行加工，结合图5和图6所示的加工参数，即使用30ms脉冲宽度，1s脉冲间隔，在往复的10个脉冲下进行加工；通过对得到光纤微腔进行测量拟合，光纤在端面平面的两个正交方向上拟合出不同曲率半径，且拟合误差在10nm以下；组合出光纤微腔后，向腔内注入线偏672nm激光，调节激光器在672nm附近扫描波长，调制边带宽度为3448.8MHz，测得输出的劈裂可调的激光信号的FSR等参数如图8所示，透射峰细且高，透过率接近1.0，证明腔损小、精细度高；图9为图8中单个峰的细节展示，其中左右两条峰对应了两个不同曲率半径对应偏振方向的共振频率，在两个偏振方向上，驻波频率产生了远大于单个峰宽的频率劈裂；通过旋转其中一个偏振方向，测量频率劈裂程度，结果如图10所示，其中上半部分为不同角度下劈裂的大小，可以看出其相对角度变化呈现正弦变化趋势，与分析相符合，而下半部分为不同角度下的单个峰宽，几乎保持不变，说明发明结构在调整劈裂的过程中一直保持了很高的精细度。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于椭球腔面的光纤微腔、激光器及光纤制备方法，通过使用多脉冲激光，在光纤端面加工出椭球腔面，通过调节脉冲数量和强度等参数，即可控制椭球腔面偏心率；组合成光纤微腔结构后，通过调整偏振方向也可实现输出可调的偏振劈裂激光信号的目的。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于椭球腔面的光纤微腔，由第一光纤端面与第二光纤端面共同构成，所述第一光纤和第二光纤同轴设置；所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面。
2.根据权利要求1所述的基于椭球腔面的光纤微腔，所述第一光纤端面和第二光纤端面的间距为光纤微腔的腔长，腔长在1-1000μm。
3.根据权利要求1所述的基于椭球腔面的光纤微腔，所述凹椭球腔面的典型深度为0.1至20微米。
4.根据权利要求1所述的基于椭球腔面的光纤微腔，所述凹椭球腔面横截面的长轴与短轴的曲率半径比值的典型值在1.1至10之间。
5.根据权利要求1所述的基于椭球腔面的光纤微腔，所述第一光纤端面和第二光纤端面镀有高反膜；镀膜后对激光反射率的典型值高于99％。
6.一种基于椭球腔面的光纤微腔的激光器，包括：
激光源，用于发出激光信号至第一光纤中；
权利要求1至5任一项所述的光纤微腔；由第二光纤端面与所述第一光纤端面共同构成，所述第一光纤端面和/或第二光纤端面为凹椭球腔面；以及
调节部，用于调节所述第一光纤和第二光纤之间的距离或旋转角度，实现最终输出激光信号劈裂程度精确可调。
7.一种基于椭球腔面的光纤的制备方法，用于制备具有权利要求1至5任一项所述光纤微腔的光纤，所述基于椭球腔面的光纤的制备方法，包括：
步骤S1：根据要获得的劈裂程度确定椭球腔面的尺寸数据；
步骤S2：根据椭球腔面的尺寸数确定加工所用的脉冲激光的间隔距离及数量；以及
步骤S3：控制脉冲激光的脉冲间隔及强度，完成预定尺寸的椭球腔面的加工，镀膜后完成基于椭球腔面的光纤的制备。
8.根据权利要求7所述的基于椭球腔面的光纤的制备方法，步骤S1中，光纤的椭球腔面内驻波的频率劈裂Δv，可由如下公式表征：
其中，ΔφA表示两种偏振的极化模式在第一光纤端面处的相位差；ΔφB表示两种偏振的极化模式在第二光纤端面处的相位差，θ表示偏振方向与椭球腔面长轴的夹角。
9.根据权利要求8所述的基于椭球腔面的光纤的制备方法，ΔφA、ΔφB可由如下公式计算得到：
其中，∈A为第一光纤端面的椭球腔面的偏心率，∈B为第二光纤端面的椭球腔面的偏心率，k为激光波长对应的波矢，为第一光纤端面的椭球腔面的短轴长；为第二光纤端面的椭球腔面的短轴长。
10.根据权利要求8所述的基于椭球腔面的光纤的制备方法，腔长为L时的自由光谱范围vFSR公式表达如下：
其中，c为介质光速。
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