CN114188804A - 一种矢量孤子光纤激光器、控制方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种矢量孤子光纤激光器、控制方法及其应用，激光器包括依次连接的激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件、耦合器以及模式转换组件，模式转换组件包括第二偏振控制器、长周期光纤光栅、第三偏振控制器、光纤准直器、偏振片以及相机组成。本发明实验腔不含任何偏振元件，结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高，基于长周期光纤光栅的模式转换功能可以实现高纯度的超快柱矢量光束。该方式产生柱矢量光束具有损耗小，宽带宽，高纯度以及输出稳定，超快柱矢量光束结合了超快脉冲和柱矢量光束的优点，有着广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种矢量孤子光纤激光器、控制方法及其应用。
背景技术
目前，柱矢量光束(Cylindrical vector beams,CVBs)具有偏振奇点的特种光束，观察柱矢量光束的横截面，可以发现其在偏振态上是轴对称分布的，一般主要分为径向偏振光和角向偏振光，由于CVBs光场具有独特的偏振和振幅特性，在光通信、表面等离子体激发、光俘获等领域进行了广泛的应用。值得注意的是，皮秒或飞秒激光中的超快CVBs脉冲扩展了各种新的应用，如非线性变频、超分辨率显微镜和材料加工等。超快CVBs通常是通过锁模激光平台的模激励和孤子选择获得的。孤子的固有特性和孤子的模态控制是影响实现超快 CVBs的关键。近年来，产生柱矢量光束多数在标量孤子的前提下产生，未能挖掘孤子的固有特性和柱矢量光束之间的关系，此外，偏移耦合光斑、光纤光栅和模式选择耦合器被用来获得超快柱矢量光束。然而，偏移耦合固有的插入损耗限制了转换效率，相对狭窄的光谱带宽和模式选择耦合器复杂的制造工艺限制了输出波束的带宽。固体激光器相比，全光纤激光器具有体积小、光束质量高、稳定性好等优点，更适合用于超快CVBs的平台。而目前，关于孤子固有的矢量特性和柱矢量光束的偏振特性的内在联系需要进一步探索。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的全光纤激光器仅在标量孤子的前提下产生柱矢量光束，没有关联矢量孤子和圆柱矢量光速的内在关联，存在结构复杂的局限性
解决以上问题及缺陷的难度为:如何高效地产生圆柱矢量光束，刻蚀长周期光纤光栅，圆柱矢量光束的产生
解决以上问题及缺陷的意义为：
提出了一种全光纤激光器可以挖掘出了矢量孤子和圆柱矢量光束直接的内在关联，在此基础之上可以更高效的产生圆柱矢量光束，此光束具有更高的转换效率，其应用广泛。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矢量孤子光纤激光器及其控制方法、应用。
本发明是这样实现的，一种矢量孤子光纤激光器
激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件、输出耦合器和模式转换组件；
所述激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件和输出耦合器依次连接构成光纤环形腔结构；
所述输出耦合器的90％端与所述波分复用器相连接，所述输出耦合器的10％端与所述模式转换组件相连接。
进一步，所述锁模组件包括第一偏振控制器和单模-多模-单模结构，所述第一偏振控制器上设置有单模-多模-单模结构部件，所述单模-多模-单模结构部件与所述输出耦合器相连接，所述输出耦合器的90％端和所述波分复用器相连接。
进一步，所述单模-多模-单模结构部件缠绕在所述第一偏振控制器上，所述单模-多模-单模结构部件与所述输出耦合器熔接。
进一步，所述模式转换组件包括第二偏振控制器、长周期光纤光栅、第三偏振控制器、光纤准直器、偏振片以及相机；
所述第二偏振控制器上设置有单模光纤部件，所述单模光纤部件与长周期光纤光栅部件相连接，所述第三偏振控制器上设置有两模光纤部件，所述长周期光纤光栅和两模光纤相连接，所述两模光纤和光纤准直器相连接。
进一步，所述输出耦合器的10％端部件与单模光纤熔接，所述单模光纤盘绕在所述第二偏振控制器上，所述单模光纤与所述长周期光纤光栅熔接；所述长周期光纤光栅和两模光纤熔接，所述两模光纤缠绕在所述第三偏振控制器上，所述两模光纤与光纤准直器部件连接。
进一步，通过掰转所述第二偏振控制器和第三偏振控制器的浆片，以实现偏振态的重新分配进而得到圆柱矢量光束。
进一步，所述两模光纤为渐变折射率两模光纤，所述长周期光纤光栅是在两模渐变折射率光纤上进行刻写的。
进一步，所述激光发出组件为泵浦源，所述泵浦源为980nm的半导体激光器。
本发明的另一目的在于提供一种矢量孤子光纤激光器的控制方法，具体包括：
通过CO2激光器在渐变两模光纤上刻蚀长周期光纤光栅，引发光纤内发生不对称的折射率变化，使得光纤波导折射率分布发生不均匀的变化而改变，通过外界的激光在光纤上写制光栅，随机破坏模式间的相互正交性，能量发生模式耦合，实现从基模光到高阶模的转变；
进一步，在刻写光纤光栅的过程中，要使得被刻蚀光纤尽量保持一种径直状态，以防光纤弯曲应力会造成不良的刻蚀结果，然对打标机的各种参数进行优化探索，刻蚀出高转换效率的光纤光栅。
在不改变腔内锁模状态的前提下，通过调节长周期光纤前后的偏振控制器的浆片，扭转腔内偏振控制器重新改变腔内输出偏振态分布，最终得到柱矢量光束
进一步，能量发生模式耦合中，模式耦合为：
上述公式表示的是光纤光栅的模式耦合公式，其中λres为长周期光纤光栅的共振波长,neff，01和neff，11分别为LP01和L11模的有效折射率；
通过优化在刻写光栅的参数和光栅长度时，制作出转换效率最佳的长周期光纤光栅，实现超快柱矢量光束的输出；
该公式为柱矢量光束在柱坐标系下的表达式，其中
为y轴正半轴与电场线的夹角。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有点及积极效果为：
本发明提供的光纤激光器，将单模-多模-单模结构部件(SMS部件)与偏振控制器结合的方式实现全光纤结构锁模，与一般锁模光纤激光器相比，结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高，锁模阈值低。单模-多模-单模结构是偏振不敏感的，重要的是我们的腔结构内不含有任何偏振相关元件，这对产生各种矢量孤子有着极大的优势。可以产生了飞秒量级的矢量孤子脉冲和实现了谐波锁模，长周期光纤光栅作为模式转换器，具有小尺寸、低损耗等优点，利用长周期光纤光栅进行模式转换产生了高转换效率的圆柱矢量光束，相比于其他方案(CNT 锁模方式)产生的圆柱矢量光束，本发明具有更高纯度的圆柱矢量光束，其功率输出比也是极高的，其次还实现了在不同阶次谐波锁模的超快圆柱矢量光束，提高了激光的稳定性和柱矢量光束的纯度。
本发明提供的是一种产生柱矢量光束的矢量孤子光纤激光器，其结合了被动锁模技术和长周期光纤光栅，光纤光栅作为一种模式转换器，其具有体积小、损耗小、宽带宽、设计灵活等优点，当锁模光谱的中心波长和光栅的共振波长达到基本一致时，可以实现基模到一阶模的高效率转换。由于本发明采用单模- 多模-单模结构充当可饱和吸收体，此结构是偏振不敏感的，整个腔结构内没有任何偏振相关元件，通过转动第一偏振控制器的浆片，优化激光腔内的非线性和损耗进而实现了群速度锁定矢量孤子输出和谐波锁模。利用第二偏振控制器和第三偏振控制器以及长周期光纤光栅，得到了不同谐波的高纯度柱矢量光束，此外还剖析了孤子的固有特性对形成柱矢量光束的影响，具有广泛的应用价值和研究意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的矢量孤子光纤激光器的结构原理图。
图中：1、激光发出组件；2、波分复用器；3、增益光纤；4、偏振无关隔离器；5、光纤组；6、第一偏振控制器；7、输出耦合器；8、第二偏振控制器； 9、长周期光纤光栅；10、第三偏振控制器；11、两模光纤；12、光纤准直器； 13、偏振片；14、相机。
图2是本发明实施例提供的群速度锁定矢量孤子的两偏振分量的光谱图。
图3是本发明实施例提供的长周期光纤光栅结构的光谱图和局部放大图。
图4是本发明实施例提供的柱矢量光束经过偏振片后，得到的径向偏振光和角向偏振光斑图样。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矢量孤子光纤激光器及其控制方法、应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供一种产生柱矢量光束的矢量孤子光纤激光器，该激光器主要包括依次连接的激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件、耦合器以及模式转换组件，所述激光发光组件和所述波分复用器相连接，所述增益光纤和所述波分复用相连接，所述锁模组件包含第一偏振控制器和单模-多模-单模结构，激光发光组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件、耦合器顺次连接以形成实验环形腔，所述耦合器的10％的输出端和所述模式转换组件相连接，所述模式转换组件包括第二偏振控制器、长周期光纤光栅、第三偏振控制器、光纤准直器、偏振片以及相机组成。本发明实验腔不含任何偏振元件，结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高，基于长周期光纤光栅的模式转换功能可以实现高纯度的超快柱矢量光束。该方式产生柱矢量光束具有损耗小，宽带宽，高纯度以及输出稳定，超快柱矢量光束结合了超快脉冲和柱矢量光束的优点，有着广泛的应用价值。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例
本发明提供一种矢量孤子光纤激光器的控制方法，具体包括：
通过CO2激光器在渐变两模光纤上刻蚀长周期光纤光栅，引发光纤内发生不对称的折射率变化，使得光纤波导折射率分布发生不均匀的变化而改变，通过外界的激光在光纤上写制光栅，随机破坏模式间的相互正交性，能量发生模式耦合，实现从基模光到高阶模的转变；
在不改变腔内锁模状态的前提下，通过调节长周期光纤前后的偏振控制器，扭转腔内偏振控制器改变腔内输出偏振态分布，最终得到柱矢量光束。
其中，能量发生模式耦合中，模式耦合为：
上述公式表示的是光纤光栅的模式耦合公式，其中λres为长周期光纤光栅的共振波长,neff，01和neff，11分别为LP01和L11模的有效折射率；
通过优化在刻写光栅的参数和光栅长度时，制作出转换效率最佳的长周期光纤光栅，实现超快柱矢量光束的输出；
该公式为柱矢量光束在柱坐标系下的表达式，其中
为y轴正半轴与电场线的夹角。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的矢量孤子光纤激光器包括依次连接的激光发出组件1、波分复用器2、增益光纤3、偏振无关隔离器4、偏振控制器6、输出耦合器7和模式转换组件，所述输出耦合器的10％输出端与所述模式转换组件相连接；所述模式转换组件包括偏振控制器8、长周期光纤光栅9、偏振控制器10、两模光纤11、光纤准直器12、偏振片13、相机14，所述模式转换组件依次连接。所述光纤组5依次连接单模光纤-渐变多模光纤-单模光纤。
其中，图1为本申请的基于SMS结构产生柱矢量光束的矢量孤子光纤激光器示意图，由图1可知，环形实验腔由激光发出组件1、波分复用2、增益光纤 3、偏振无关隔离器4、偏振控制器6以及耦合器7组成，根据非线性多模干涉理论可知，光纤组3(SIMF-GIMF-SIMF)具有可保和吸收体作用，对光强具有非线性的歧视作用，充当可保和吸收体的作用进而实现锁模。锁模结构是偏振不敏感的，由于腔内没有任何偏振相关元件，通过扭转偏振控制6可以改变腔内双应力实现群速度锁定矢量孤子，所述耦合器7和模式转换组件相连接，通过CO2激光器在渐变两模光纤上刻蚀长周期光纤光栅，引发光纤内发生不对称的折射率变化，因为光纤波导折射率分布发生不均匀的变化而改变，通过外界的激光在光纤上写制光栅，随机破坏了模式间的相互正交性，能量发生了转移即模式耦合，可以实现从基模光到高阶模的转变。在不改变腔内锁模状态的前提下，通过精细地调节长周期光纤前后的偏振控制器，扭转腔内偏振控制器进而改变腔内输出偏振态分布，最终得到柱矢量光束(径向偏振光和角向偏振光)。
所述光纤组5是实现锁模的关键要素，该结构充当可饱和吸收体作用，且是偏振不敏感的，因此腔内没有任何偏振相关元件，这是实现矢量孤子的重要因素，对锁模孤子进行两正交分量测试，两正交偏振的光谱的中心波长较总光谱的中心波长有一定程度的偏移，出现了相反方向的偏移，且两偏振分量具有相同重复频率和均匀一致的脉冲序列间隔，因此本发明产生的矢量孤子为群速度矢量孤子。由于锁模结构(单模-多模-单模)缠绕在偏振控制器上，通过旋转偏振控制器的浆片角度，将改变透射光的强度，随着泵浦功率的增加。这两个因素最终会导致脉冲分裂，优化腔内的非线性和损耗关系，会产出均匀一致的脉冲间隔实现谐波锁模。
图2为产生的群速度锁定矢量孤子的水平和垂直分量的光谱图，孤子脉冲在光纤中传输时，两个正交偏振分量会发生群速度失配并导致走离效应，导致水平分量和垂直分量光谱发生了相反方向的偏移。从光谱仪和示波器都一致表征我们产生的是矢量孤子，其具有的特征为腔内含有固定的偏振态，这一特征为下一步产生具有偏振相关的圆柱矢量光束提供了一个有利条件。
图3是长周期光纤光栅的透射谱和局部放大图，利用CO2激光器在渐变两模光纤上刻蚀长周期光纤光栅，可以看到锁模光谱范围包含在光栅光谱范围之内，通过调节所述第一偏振控制器的浆片使得锁模中心波长和光纤光栅的共振波长基本一致时，此时可以实现高效率的模式转换(从基模可以转换到理想的高阶模)，最终通过让输出偏振态重新分配以得到高纯度的柱矢量光束。
上述公式表示的是光纤光栅的模式耦合公式，其中λres为长周期光纤光栅的共振波长,neff，01和neff，11分别为LP01和L11模的有效折射率。通过上述公式，本发明可以很好的计算出本发明所需的长周期光纤光栅的周期。通过优化在刻写光栅的参数(功率Q频以及刻蚀圈数等)和光栅长度时，制作出转换效率最佳的长周期光纤光栅，实现超快柱矢量光束的输出。
该公式为柱矢量光束在柱坐标系下的表达式，其中
为y轴正半轴与电场线的夹角，从这个公式可以看出柱矢量光束具有两正交偏振态的分量，因此可以知道矢量锁定孤子的偏振分量与径向偏振模和角向偏振模的偏振分量部分一致。这一点便说明了我们可以产生更好的圆柱矢量光束，结果也同样证明了我们的预想。
图4为当经过自制长周期光纤光栅9后，通过调节长周期光纤光栅前后连接的第二偏振控制器8和第三偏振控制器10用以改变光偏振态的变化，进而产生了较高纯度的径向偏振光和角向偏振光，清晰地可以看出图4(a1)和图4(f1) 是具有中空结构的光斑图，代表着径向偏振光和角向偏振光。紧接着在输出端口和相机之间夹有一个线偏振片。输出光束通过线性偏振片后，通过旋转偏振片的不同方向得到不一样的双瓣轮廓，透射方向由图4(b)-4(e)和图4(g)-4(j)所示的四个白色箭头表示。当两瓣强度分布和线偏振器角度同向的时候，代表此时的柱矢量光是径向。相反则是角向柱矢量光。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述矢量孤子光纤激光器包括：
激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件、输出耦合器和模式转换组件；
所述激光发出组件、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、锁模组件和输出耦合器依次连接构成光纤环形腔结构；
所述输出耦合器的90％端与所述波分复用器相连接，所述输出耦合器的10％端与所述模式转换组件相连接。
2.如权利要求1所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述锁模组件包括第一偏振控制器和单模-多模-单模结构，所述第一偏振控制器上设置有单模-多模-单模结构部件，所述单模-多模-单模结构部件与所述输出耦合器相连接，所述输出耦合器和所述波分复用器相连接。
3.如权利要求2所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述单模-多模-单模结构部件缠绕在所述第一偏振控制器上，所述单模-多模-单模结构部件与所述输出耦合器熔接。
4.如权利要求1所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述模式转换组件包括第二偏振控制器、长周期光纤光栅、第三偏振控制器、光纤准直器、偏振片以及相机；
所述第二偏振控制器上设置有单模光纤部件，所述单模光纤部件与长周期光纤光栅部件相连接，所述第三偏振控制器上设置有两模光纤部件，所述长周期光纤光栅和两模光纤相连接，所述两模光纤和光纤准直器相连接。
5.如权利要求4所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器的10％端部件与单模光纤熔接，所述单模光纤盘绕在所述第二偏振控制器上，所述单模光纤与所述长周期光纤光栅熔接；所述长周期光纤光栅和两模光纤熔接，所述两模光纤缠绕在所述第三偏振控制器上，所述两模光纤与光纤准直器部件连接。
6.如权利要求4所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，通过掰转所述第二偏振控制器和第三偏振控制器的浆片，以实现偏振态的重新分配进而得到圆圆柱矢量光束；
所述两模光纤为渐变折射率两模光纤，所述长周期光纤光栅是在两模渐变折射率光纤上进行刻写。
7.如权利要求1所述的矢量孤子光纤激光器，其特征在于，所述激光发出组件为泵浦源，所述泵浦源为980nm的半导体激光器。
8.一种矢量孤子光纤激光器的控制方法，其特征在于，所述矢量孤子光纤激光器的控制方法包括：
通过CO2激光器在渐变两模光纤上刻蚀长周期光纤光栅，引发光纤内发生不对称的折射率变化，使得光纤波导折射率分布发生不均匀的变化而改变，通过外界的激光在光纤上写制光栅，随机破坏模式间的相互正交性，能量发生模式耦合，实现从基模光到高阶模的转变；
在刻写光纤光栅的过程中，被刻蚀光纤保持径直状态，然对打标机的各种参数进行优化，刻蚀出高转换效率的光纤光栅；
在不改变腔内锁模状态的前提下，通过调节长周期光纤前后的偏振控制器，扭转腔内偏振控制器改变腔内输出偏振态分布，最终得到柱矢量光束。
9.如权利要求8所述的矢量孤子光纤激光器的控制方法，其特征在于，能量发生模式耦合中，模式耦合为：
上述公式表示的是光纤光栅的模式耦合公式，其中λres为长周期光纤光栅的共振波长,neff，01和neff，11分别为LP01和L11模的有效折射率；
通过优化在刻写光栅的参数和光栅长度时，制作出转换效率最佳的长周期光纤光栅，实现超快柱矢量光束的输出；
该公式为柱矢量光束在柱坐标系下的表达式，其中
为y轴正半轴与电场线的夹角。
10.一种如权利要求1～7任意一项所述的矢量孤子光纤激光器在光通信、在表面等离子体激发、在光俘获中的应用。
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