CN207977611U - 一种免调试柱矢量光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种免调试的柱矢量光纤激光器，该激光器包括依次连接的泵浦源(1)，波分复用器(2)，输入端(3)，增益光纤(4)，光纤模式选择器(5)和输出端(6)，在激光腔加入了光纤模式选择器(5)，使得特定模式的光束在激光腔内起振，无需调节光束的偏振态，直接得到柱矢量光束输出。本实用新型实现了全光纤集成，结构简单紧凑，易于实现产品化。相比于其它柱矢量光纤激光器，本实用新型不需要调节偏振控制器来获得柱矢量光束输出，大大提高了稳定性和实用性。本实用新型可以应用于表面等离子体激发、光镊、光学成像、激光加工等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器的技术领域，具体涉及一种免调试的柱矢量光纤激光器。
背景技术
柱矢量光束(CVB)，不同于常规的均匀偏振光，其偏振在光束横截面内呈对称分布，且强度上呈现中心为零的“甜甜圈”。柱矢量光主要包括径向偏振光和角向偏振光，径向偏振光束能作为表面等离子体激发良好的激发光源，这主要基于表面等离子体激发条件和入射光束的偏振关联特性。当入射光束为横磁波(p偏振)时，表面等离子体能够被高效地激发；而径向偏振光束的任意纵向剖面都可认为是p偏振的，等效是一个二维结构的p偏振光束。所以径向偏振光束正入射在金属介质表面时能够以在各个方向满足激发条件，达到高效激发的效果。此外，柱矢量光由于其中心处场强为零，可以作为一个“陷阱”来捕获微粒，从而操控微粒。1970年，Ashkin发明了光镊——一种利用激光光束对物体的辐射压力来进行微粒操控的光学仪器。自此，光镊就被用于捕获和操控微米纳米尺度的颗粒以及活体细胞等，在物理、化学以及生物医学上都发挥了重要作用。另外，柱矢量光还可以应用于光学探针中，基于柱矢量光的近场扫描探针与传统的近场扫描探针相比，其具有更小的分辨极限，而且有效的消除了背景噪声。同时，柱矢量光在激光加工上也具有独特的优势。一般而言，激光光束焦斑尺寸越小其对应的焦深也越小，这就导致切削深度与切削宽度的比率较小。对于矢量光束而言，由于径向偏振和角向偏振光按合适比例叠加时能够在焦点产生平顶型强局域场，其拥有较长的纵向焦深，因此可以有效提升切削深度与切削宽度的比率，提高激光切割效率。
目前产生柱矢量光的方式主要有三种：主动方式、被动方式和光纤方式。其中主动方式和被动方式都是在固体激光器里通过偏振控制装置来调控光束的偏振态从而产生柱矢量光，但其对器件的精密程度和作用范围都要严格的要求，并且存在成本较高的问题，而采用光纤来激发柱矢量光束，其结构简单，成本低廉。目前光纤激光器产生柱矢量光束主要是利用错位点和光纤模式选择耦合器来实现基模到二阶模的能量耦合，但是依旧需要偏振控制器来调控光束的偏振态以获得特定模式的柱矢量光输出，这对于柱矢量光纤激光器的应用是十分不利的。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有柱矢量光纤激光器需要调节偏振态来获得柱矢量光束输出的缺陷，基于新型的光纤模式选择器，设计并制作了一种免调试直接输出柱矢量光的光纤激光器。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种免调试的柱矢量光纤激光器，包括依次连接的泵浦源，波分复用器，输入输出端，增益光纤和光纤模式选择器，通过在激光器谐振腔内加入光纤模式选择器，使得特定模式的光束在腔内发生谐振，由此直接得到柱矢量光束的连续激光输出，泵浦源用于提供能量，波分复用器用于将泵浦光与信号光分离和复合，输入端用于透射泵浦光并反射信号光，增益光纤用于提供增益，产生1064nm波段的光，光纤模式选择器用于衰减光纤中TE01模式以外的模式，输出端用于输出激光。
其中，所述的光纤模式选择器，将一段光纤的中间部分的包层腐蚀至一定厚度，再在其表面镀上一定厚度的金属膜(包括但不限于铝膜、金膜、铜膜和银膜)。
其中，所述的光纤模式选择器，其对于TE01模式损耗最小，而对LP01，LP11的其它模式损耗较大。
其中，所述的激光器的谐振腔为线型腔。
其中，所述的激光器的输入端采用少模光纤光栅。
其中，所述的激光器的增益光纤为掺镱光纤。
本实用新型与现有技术相比的优点为：
(1)本实用新型为全光纤结构，结构紧凑稳定。
(2)本实用新型无须调节偏振态，直接得到柱矢量光束输出。
附图说明
图1为本实用新型的一种免调试的柱矢量光纤激光器结构示意图。
图2为光纤模式选择器结构示意图。
图3为光纤模式选择器横截面示意图。
图中的附图标记解释为：1-泵浦源，2-波分复用器，3-输入端，4-增益光纤，5-光纤模式选择器，6-输出端，7-纤芯，8-包层，9-金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描叙。
本实用新型设计的激光器为直腔结构(如图1所示)，采用中心波长为975nm的半导体激光器作为泵浦源1，其作用在于为激光器提供能量，波分复用器2的作用在于将泵浦光耦合进激光器的谐振腔中，谐振腔两端用中心波长为1055nm的少模光纤光栅作为输入端3和输出端6，输入端3的作用在于透射泵浦光并反射信号光，输出端6的作用在于输出激光。掺镱光纤4的作用在于提供增益，一段包层表面镀有金属膜的少模光纤作为光纤模式选择器5，其横截面如附图3所示。部件7为光纤纤芯，其作用在于传输光束，部件8为光纤包层，其作用在于提供全反射，部件9为金属层，其作用在于衰减对TE01模式以外的模式。本发明设计的激光器通过激光器的模式竞争特性使得TE01模式在谐振腔内成为优势模在腔内实现振荡，并通过少模光纤光栅输出。
所述的少模光纤光栅是在SMF-28e光纤上进行刻写的，其二阶模对二阶模的反射峰都在1055nm附近，其在1064nm波段可以同时支持LP01和LP11模式的光束传输。其中，反射端的少模光纤光栅的二阶模对二阶模的反射率被定制为100％，输出端的少模光纤光栅的二阶模对二阶模的反射率被定制为60-90％。
所述的掺镱光纤的型号为DCF-YB-9/128-FA，其纤芯直径为9μm，数值孔径(NA)为0.2，其在1064nm波段附近可以同时支持LP01和LP11模式的光束传输。
实施例
参照图1，本实用新型的免调试柱矢量光纤激光器主要由泵浦源1、波分复用器2、输入端3、输出端6、增益光纤4和光纤模式选择器5组成。泵浦源1由中心波长为975nm的半导体激光器提供，泵浦源1的中心波长选择975nm波长的原因是Yb3+离子在975nm有一个很强的吸收峰，可以最大化利用泵浦源1提供的能量。谐振腔由两个少模光纤光栅构成，输入端3为少模光纤光栅，其对975nm波长的泵浦光完全透射，而对中心波长为1055nm的二阶模的反射率为100％，输出端6对中心波长为1055nm的二阶模的反射率为60％-90％增益光纤4是一段长20-30cm的双包层掺镱光纤，其纤芯直径为9μm，数值孔径(NA)为0.2，其在1064nm波段附近可以同时支持LP01和LP11模式的光束传输。光纤模式选择器5是由SMF-28e通过腐蚀包层并在包层外表面镀金属膜制作而成，其结构示意图如图2所示，横截面示意图如图3所示。其理论上对TE01模式光束的损耗小于1dB/cm，而对HE11、TM01、HE21模式光束的损耗均大于20dB/cm，由此实现了对光纤传输模式的选择。
本实用新型的免调试柱矢量光纤激光器的运作方式为：中心波长为975nm的泵浦光经输入端3进入谐振腔内，在掺镱光纤4中激发中心波长在1064nm的光束，此时在掺镱光纤4中同时存在HE11、TM01、HE21和TE01模式的光束，之后光束经过光纤模式选择器5，除了TE01模式以外的光束的能量都被极大地衰减，使得TE01模式的光束的能量明显高于其它模式的光束。而随着光束在谐振腔内不断振荡，TE01模式的光束的能量不断被提高，而其它模式光束的能量不断被衰减，最后由于激光振荡的模式竞争效应，谐振腔内只有TE01模式的光束振荡并最终产生激光由输出端6输出，从而得到柱矢量光束的激光输出。
本发明的优势在于激光器内没有偏振控制器，无须调控光束的偏振态来获得柱矢量光束，而是通过光纤模式选择器和激光器本身的模式竞争效应自发产生了柱矢量光束输出。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.一种免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：包括依次连接的泵浦源(1)，波分复用器(2)，输入端(3)，增益光纤(4)，光纤模式选择器(5)和输出端(6)，通过在激光器谐振腔内加入光纤模式选择器(5)，使得特定模式的光束在腔内发生谐振，由此直接得到柱矢量光束的连续激光输出，泵浦源(1)用于提供能量，波分复用器(2)用于将泵浦光与信号光分离和复合，输入端(3)用于透射泵浦光并反射信号光，增益光纤(4)用于提供增益，产生1064nm波段的光，光纤模式选择器(5)用于衰减光纤中TE01模式以外的模式，输出端(6)用于输出激光。
2.根据权利要求1所述的免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述的光纤模式选择器(5)，将一段光纤的中间部分的包层腐蚀至一定厚度，再在其表面镀上一定厚度的金属膜。
3.根据权利要求1所述的免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述的光纤模式选择器(5)，其对于TE01模式损耗最小，而对LP01，LP11的模式损耗较大。
4.根据权利要求1所述的免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述的激光器的谐振腔为线型腔。
5.根据权利要求1所述的免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述的激光器的输入端(3)采用少模光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的免调试的柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述的激光器的增益光纤(4)为掺镱光纤。
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