CN220291344U - 涡旋光激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光器领域，提供一种涡旋光激光器，包括：单模光纤和二模光纤；所述单模光纤连接有掺铒光纤以及高非线性光纤；所述二模光纤与所述单模光纤通过偏芯熔接点连接，所述偏芯熔接点可以激发出二模光纤中的LP11模式。用以解决现有技术中产生的涡旋光脉冲的重复频率较低，且光谱宽度较窄的缺陷，可以产生重复频率达到GHz量级的涡旋光脉冲，且得益于二模啁啾光纤布拉格光栅较宽的反射带宽，该激光器产生的涡旋光脉冲具有较宽的谱宽。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种涡旋光激光器。
背景技术
涡旋光是一种特殊的空间结构光，由于它的光场表达式中包含了一项螺旋相位因子，使得它具有螺旋状的相位波前结构，螺旋形相位波前使其中心处的相位不能确定，存在相位奇点，因此涡旋光的中心光强为零，具有“甜甜圈”状的中空强度分布。涡旋光这些独特的性质使其在光镊、光通信、量子光学、光学成像等方面具有广阔的应用前景。
涡旋光的产生方法也在近些年吸引了研究人员的注意。根据涡旋光产生的媒介进行分类，可以分为在自由空间中产生以及在光纤中产生。其中，在自由空间中主要是通过螺旋相位板、空间光调制器、q板以及几何模式转换法等方式产生涡旋光。与自由空间相比，光纤具有体积小、质量轻、传输损耗低、集成度高等特点，因此在光纤和光纤激光器中产生涡旋光具有独特的优势。
锁模光纤激光器中脉冲的重复频率一般是由激光器的腔长决定：腔长越短，脉冲的重复频率越高，它在数值上等于激光器的纵模间隔。高重频脉冲在光通信以及光学频率梳等领域具有广泛地应用。虽然现在已经有许多关于涡旋光脉冲光纤激光器的研究被报道，但是受限于激光器的腔长，这些报道所产生的的涡旋光脉冲的重复频率较低，一般在MHz量级。目前报道的涡旋光脉冲最高的重复频率为626MHz，尚未达到GHz量级。进一步提高涡旋光脉冲的重复频率，获得GHz量级的涡旋光脉冲能够扩展涡旋光的应用范围，是十分具有研究价值的。此外，由于少模光纤布拉格光栅的反射带宽较窄，利用这种方法产生的涡旋光脉冲的光谱宽度较窄。
实用新型内容
本实用新型提供一种涡旋光激光器，用以解决现有技术中产生的涡旋光脉冲的重复频率较低，且光谱宽度较窄的缺陷，可以产生重复频率达到GHz量级的涡旋光脉冲，得益于二模啁啾光纤布拉格光栅较宽的反射带宽，该激光器产生的涡旋光脉冲还具有较宽的谱宽。
本实用新型提供的涡旋光激光器，包括：单模光纤和二模光纤；
所述单模光纤连接有掺铒光纤以及高非线性光纤；
所述二模光纤与所述单模光纤通过偏芯熔接点连接，所述偏芯熔接点可以激发出二模光纤中的LP11模式。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括二模啁啾光纤布拉格光栅，所述二模啁啾光纤布拉格光栅与所述二模光纤连接，所述二模啁啾光纤布拉格光栅用于模式选择，将LP11模式的激光输出，并反射LP01模式的激光。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括环形器，所述环形器与所述单模光纤连接，所述环形器包括第一端口和第二端口，所述环形器通过所述第一端口与所述单模光纤连接，通过所述第二端口与所述二模啁啾光纤布拉格光栅连接。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括波分复用器，所述波分复用器与所述单模光纤连接，所述单模光纤通过所述波分复用器与泵浦源连接。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括光耦合器，所述光耦合器与所述单模光纤连接，所述光耦合器的其中一个端口作为单模输出端，与光谱仪连接，所述光谱仪用于对输出的脉冲特性进行测量。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括隔离器，所述隔离器设置于所述光耦合器和所述高非线性光纤之间，用于保证激光在激光器内单向传输。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括F-P滤波器，所述F-P滤波器设置于所述隔离器和所述高非线性光纤之间，用于对所述单模光纤内的激光模式进行选择，与所述高非线性光纤结合，产生高重频脉冲。
根据本实用新型提供的涡旋光激光器，还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器，第一偏振控制器和第二偏振控制器设置于单模光纤中，用于控制腔内光束的偏振态，第三偏振控制器设置于二模啁啾光纤布拉格光栅后，用于引入相位差以产生涡旋光。
本申请设计并搭建了一台基于耗散四波混频锁模的高重频涡旋光掺铒光纤激光器，可以产生拓扑荷数为±1，重复频率达到100GHz，模式纯度为82.1％的涡旋光脉冲，并且产生的涡旋光脉冲具有较高的稳定性。且搭建的激光器结构简单，成本较低。本申请通过采用偏芯熔接技术激发出二模光纤中的高阶模式并通过二模啁啾光纤布拉格光栅作为模式选择器件，从而实现高阶模式输出；通过结合梳状滤波器以及高非线性光纤诱导耗散四波混频效应的产生，实现锁模。得益于二模啁啾光纤布拉格光栅较宽的反射带宽，该激光器产生的涡旋光脉冲具有较宽的谱宽。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的涡旋光激光器的结构示意图；
图2是本实用新型提供的偏芯熔接前的光纤显微示意图；
图3是本实用新型提供的偏芯熔接后的光纤显微示意图；
图4是本实用新型提供的涡旋光激光器中二模啁啾光纤布拉格光栅的性能示意图；
图5是本实用新型提供的涡旋光激光器中F-P滤波器的性能示意图；
图6是本实用新型提供的脉冲光谱示意图之一；
图7是本实用新型提供的脉冲光谱示意图之二；
图8是本实用新型提供的脉冲性能示意图之一；
图9是本实用新型提供的脉冲性能示意图之二；
图10是本实用新型提供的脉冲性能示意图之三；
图11是本实用新型提供的光斑示意图之一；
图12是本实用新型提供的光斑示意图之二；
图13是本实用新型提供的光斑示意图之三；
图14是本实用新型提供的光斑示意图之四。
其中：
1-单模光纤； 2-二模光纤；
3-掺铒光纤； 4-高非线性光纤；
5-二模啁啾光纤布拉格光栅；6-环形器；
7-波分复用器； 8-泵浦源；
9-光耦合器； 10-隔离器；
11-F-P滤波器； 12-第一偏振控制器；
13-第二偏振控制器； 14-第三偏振控制器。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1是本实用新型提供的涡旋光激光器的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种涡旋光激光器，包括：单模光纤1和二模光纤2；
所述单模光纤1连接有掺铒光纤3以及高非线性光纤4；
所述二模光纤2与所述单模光纤1通过偏芯熔接点连接，所述偏芯熔接点可以激发出二模光纤中的LP11模式。
实施中，掺铒光纤3的长度可以为4.4米长，高非线性光纤4的长度可以为85米长。
示例性实施例中，还包括二模啁啾光纤布拉格光栅5，所述二模啁啾光纤布拉格光栅5与所述二模光纤2连接，所述二模啁啾光纤布拉格光栅5用于模式选择，将LP11模式的激光输出，并反射LP01模式的激光。
具体的，LP11模式可以透过二模啁啾光纤布拉格光栅5输出至光纤的腔外，而LP01模式则会被反射，原路返回至光纤腔内，继续在单模光纤1内进行传输。
示例性实施例中，还包括环形器6，所述环形器6与所述单模光纤1连接，所述环形器6包括第一端口和第二端口，所述环形器6通过所述第一端口与所述单模光纤1连接，通过所述第二端口与所述二模啁啾光纤布拉格光栅5连接。
具体的，激光可以从环形器6的第一端口进入，从第二端口射出。
图2是本实用新型提供的偏芯熔接前的光纤显微示意图。
图3是本实用新型提供的偏芯熔接后的光纤显微示意图。
实施中，第二端口后设置有偏芯熔接点，激光通过偏芯熔接点后可以激发出高阶模式，偏芯熔接点可以将二模光纤2与单模光纤1的普通单模光纤进行熔接，熔接后横向偏移的距离可以为5μm，如图3所示，左侧的光纤为二模光纤2，右侧的光纤是单模光纤。
示例性实施例中，还包括波分复用器7，所述波分复用器7与所述单模光纤1连接，所述单模光纤1通过所述波分复用器7与泵浦源8连接。
实施中，泵浦源8可以为980nm。
示例性实施例中，还包括光耦合器9，所述光耦合器9与所述单模光纤1连接，所述光耦合器9的其中一个端口作为单模输出端，与光谱仪连接，所述光谱仪用于对输出的脉冲特性进行测量。
实施中，光耦合器9可以为85:15的耦合器，其中的15％端口作为单模输出端与光谱仪连接。
示例性实施例中，还包括隔离器10，所述隔离器10设置于所述光耦合器9和所述高非线性光纤4之间，用于保证激光在激光器内单向传输。
隔离器10可以为偏振相关隔离器10，偏振相关隔离器10不仅能保证光在光纤内单方向传输，还可以充当线偏振器。
示例性实施例中，还包括F-P滤波器11，所述F-P滤波器11设置于所述隔离器10和所述高非线性光纤4之间，用于对所述单模光纤1内的激光模式进行选择，与所述高非线性光纤4结合，产生高重频脉冲。
具体的，F-P滤波器11可以对光纤内的激光模式进行选择，结合高非线性光纤从而实现耗散四波混频锁模，产生高重频脉冲，脉冲的重复频率等于F-P滤波器11的自由光谱范围。
示例性实施例中，还包括第一偏振控制器12、第二偏振控制器13和第三偏振控制器14，第一偏振控制器12和第二偏振控制器13设置于单模光纤1，用于控制单模光纤1的腔内光束的偏振态，第三偏振控制器14设置于二模啁啾光纤布拉格光栅5后，用于引入相位差以产生涡旋光。
其中第三偏振控制器14可以用于在LP11模式的奇模和偶模之间引入π/2的相位差，使其叠加产生涡旋光。
第三偏振控制器14之后为二模输出端，通过二模输出端可以连接CCD相机，通过CCD相机可以对二模输出端输出的激光进行观测。
实施中，可以对单模输出端和二模输出端输出的脉冲进行性能检测。
图4是本实用新型提供的涡旋光激光器中二模啁啾光纤布拉格光栅的性能示意图；
图5是本实用新型提供的涡旋光激光器中F-P滤波器的性能示意图；
图6是本实用新型提供的脉冲光谱示意图之一；
图7是本实用新型提供的脉冲光谱示意图之二；
图8是本实用新型提供的脉冲性能示意图之一；
图9是本实用新型提供的脉冲性能示意图之二；
图10是本实用新型提供的脉冲性能示意图之三。
图4为二模啁啾光纤布拉格光栅5的反射谱以及透射谱，从图4中可以看出，二模啁啾光纤布拉格光栅5的中心波长大约在1554nm，3dB带宽大约为4nm，具有较宽的反射带宽，能够在较宽的范围内实现模式选择的作用。由于耗散四波混频锁模技术所产生的脉冲的重复频率取决于梳状滤波器11的自由光谱范围，因此本申请中也可以测量F-P滤波器11的滤波特性，如图5所示，从图5中可以看到，F-P滤波器11的透射曲线具有明显的梳状滤波特性，并且光谱间隔为0.8nm，对应于100GHz的自由光谱范围。其半高全宽为0.09nm，对比度为21dB。
图6和图7是该激光器输出的高重频脉冲的光谱，其中图6是从单模输出端测得的光谱，图7是从二模输出端测得的光谱，从图6和图7中可以看到他们的中心波长都位于1553.8nm，并且都呈现能量从中间往两边递减的梳状结构，梳尺之间的间隔为0.8nm，与F-P滤波器11的光谱间隔相等。这些光谱边带是由于F-P滤波器11和高非线性光纤4诱导的耗散四波混频效应产生的：即初始时只有光谱中心的两根梳齿得到增益，之后由于四波混频效应和级联四波混频效应，能量转移至光谱两侧的梳齿上，并且它们具有固定的相位关系，因此能够实现锁模，产生高重频脉冲。
图8是从单模输出端测得的自相关迹。从图8中可以看到，脉冲的间隔约为10ps，这也证明了脉冲的重复频率为100GHz，与F-P滤波器11的自由光谱范围相对应。为了验证高重频涡旋光掺铒光纤激光器的稳定性，实施中，还可以在60分钟内每隔6分钟对两个输出端的光谱进行测量，结果如图9和图10所示。其中图9是从单模输出端测得的光谱，图10是从二模输出端测得的光谱。从图9和图10中可以看出脉冲的光谱并没有发生明显的强度波动和波长漂移，证明了激光器具有较好的稳定性。
图11是本实用新型提供的光斑示意图之一。
图12是本实用新型提供的光斑示意图之二。
图13是本实用新型提供的光斑示意图之三。
图14是本实用新型提供的光斑示意图之四。
示例性实施例中，还可以通过CCD相机对二模啁啾光纤布拉格光栅5后输出的光斑进行观测，通过调节第三偏振控制器14，该激光器可以输出图11所示的LP11模式。进一步调节第三偏振控制器14，当LP11模式的奇模和偶模之间产生π/2的相位差并叠加后，可以输出如图12所示的“甜甜圈”状的涡旋光。为了检测涡旋光的拓扑荷数，我们将平面波与涡旋光进行干涉，干涉结果如图13和图14所示，根据干涉图样的叉形数目我们可以确定涡旋光的拓扑荷数是1，根据叉形开口的方向我们也可以确定涡旋光拓扑荷数的正负，其中图13为拓扑荷数为+1的涡旋光脉冲干涉的图样，图14为拓扑荷数为-1的涡旋光脉冲干涉的图样。因此，本申请中证明了搭建的光纤激光器可以产生重复频率为100GHz，拓扑荷数为±1的涡旋光脉冲。此后，我们通过弯曲光纤的方法对输出的高阶模式的纯度进行了测量，测量的模式纯度为82.1％。
本申请设计并搭建了一台结构简单，成本较低的高重频涡旋光掺铒光纤激光器，解决了涡旋光光纤激光器由于受腔长的限制，涡旋光脉冲的重复频率较低的问题。该激光器中加入一段85m的高非线性光纤4和一个自由光谱范围为100GHz的F-P滤波器11，诱导耗散四波混频效应的产生，实现锁模。通过采用偏芯熔接技术以及二模啁啾光纤布拉格光栅5分别实现模式的激发和选择，实现高阶模式的输出。结合耗散四波混频锁模技术以及模式激发、选择技术，该激光器可以产生拓扑荷数为±1，重复频率达到100GHz，模式纯度为82.1％并且具有较高稳定性的涡旋光脉冲。通过采用具有更大自由光谱范围的梳状滤波器，可以产生重复频率达到THz量级的涡旋光脉冲。得益于二模啁啾光纤布拉格光栅5较宽的反射带宽，与使用普通二模光纤2布拉格光栅的方法相比，该激光器产生的涡旋光脉冲具有较宽的谱宽。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.涡旋光激光器，其特征在于，包括：单模光纤和二模光纤；
所述单模光纤连接有掺铒光纤以及高非线性光纤；
所述二模光纤与所述单模光纤通过偏芯熔接点连接，所述偏芯熔接点可以激发出二模光纤中的LP11模式。
2.根据权利要求1所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括二模啁啾光纤布拉格光栅，所述二模啁啾光纤布拉格光栅与所述二模光纤连接，所述二模啁啾光纤布拉格光栅用于模式选择，将LP11模式的激光输出，并反射LP01模式的激光。
3.根据权利要求2所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括环形器，所述环形器与所述单模光纤连接，所述环形器包括第一端口和第二端口，所述环形器通过所述第一端口与所述单模光纤连接，通过所述第二端口与所述二模啁啾光纤布拉格光栅连接。
4.根据权利要求1所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括波分复用器，所述波分复用器与所述单模光纤连接，所述单模光纤通过所述波分复用器与泵浦源连接。
5.根据权利要求1所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括光耦合器，所述光耦合器与所述单模光纤连接，所述光耦合器的其中一个端口作为单模输出端，与光谱仪连接，所述光谱仪用于对输出的脉冲特性进行测量。
6.根据权利要求5所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器设置于所述光耦合器和所述高非线性光纤之间，用于保证激光在激光器内单向传输。
7.根据权利要求6所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括F-P滤波器，所述F-P滤波器设置于所述隔离器和所述高非线性光纤之间，用于对所述单模光纤内的激光模式进行选择，与所述高非线性光纤结合，产生高重频脉冲。
8.根据权利要求2所述的涡旋光激光器，其特征在于，还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器，所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器设置于所述单模光纤中，用于控制腔内光束的偏振态，所述第三偏振控制器设置于所述二模啁啾光纤布拉格光栅后，用于引入相位差以产生涡旋光。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |