CN108233160A - 一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，该激光器包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、环形器、半导体可饱和吸收镜、第二偏振控制器、模式选择耦合器和第三偏振控制器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、第一偏振控制器和环形器的第一端口相连，环形器的第二端口连接一个半导体可饱和吸收镜，环形器的第三端口依次通过第二偏振控制器、模式选择耦合器与波分复用器的长波长端相连构成环形腔。本发明将半导体可饱和吸收镜和模式选择耦合器结合，在激光器的输出端将得到一个脉冲稳定、模式纯度高和效率高的脉冲柱矢量激光。

Description

一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，可用于激光器技术领域。
背景技术
超短脉冲激光在诸多领域有着重要的应用，如激光加工、激光医学手术、强场激光与物质相互作用和激光核聚变等，同时也是应用于WDM/OTDM(波分复用和光时分复用)实现未来大容量高速光纤通信的关键技术之一。柱矢量激光包括角向偏振光和径向偏振光，因为具有对称的偏振特性和强度特性，特别是径向偏振光在高数值孔径下的聚特性，受到越来越多的关注，被广泛应用于材料加工、光镊、光纤传感、表面等离子激发和光纤通信等领域。当超短脉冲激光和柱矢量激光结合形成脉冲柱矢量激光，两种激光的优点结合，应用的领域更加广泛，比如可以作为光纤通信***理想光源,而且还在光传感、探测诊断、非线性光学、生物医学、军事等众多领域有着广阔的应用前景。
锁模光纤激光器作为产生超短脉冲的主要方法之一，一直以来受到广泛的关注，与其他锁模技术相比，利用半导体可饱和吸收镜(SESAM,Semiconductor SaturableAbsorber Mirror)实现的全光纤被动锁模激光，无需任何主动器件，结构简单，对腔长变化不敏感，可实现自启动并稳定锁模。柱矢量激光的产生方法主要包括两种：第一种是利用错位的方法产生高阶模，结合少模光栅作为选模单元抑制基模从而产生柱矢量激光。然而，光纤错位的方法具有较大地损耗，降低了柱矢量光纤激光器的斜率。第二种是利用模式选择耦合器作为模式转换和模式分离单元来产生柱矢量激光，相比于利用错位的方法，具有更小的损耗以及更高的柱矢量光纤激光器斜率效率。然而，目前基于模式选择耦合器产生柱矢量激光的局限性在于：(1)产生的脉冲柱矢量激光不稳定且模式纯度不高；(2)通过传统的预拉熔融耦合拉锥的方法制备模式耦合器，其损耗大，工艺复杂；(3)目前利用模式选择耦合器仅能产生连续柱矢量激光，仍然需要在激光器谐振腔内引入脉冲调制技术以获得脉冲柱矢量激光。因此，如何实现一种低损耗、高效率、全光纤和低成本的方法以获得脉冲稳定、模式纯度高、结构紧凑的脉冲柱矢量光纤激光器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、环形器、半导体可饱和吸收镜、第二偏振控制器、模式选择耦合器和第三偏振控制器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述泵浦源的输出端与波分复用器的短波长端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、第一偏振控制器和环形器的第一端口相连，环形器的第二端口连接一个半导体可饱和吸收镜，环形器的第三端口依次通过第二偏振控制器、模式选择耦合器与波分复用器的长波长端相连构成环形腔，第三偏振控制器连接在模式选择耦合器的少模光纤输出端。
优选地，在所述环形器和第二偏振控制器之间还设置有耦合器，所述耦合器的第一端口与环形器的第三端口相连，第二端口与第二偏振控制器的一端相连。
优选地，所述模式选择耦合器可在不同的光纤输出端选择性地输出不同的模式，具有模式转换和模式选择两个功能。
优选地，所述模式选择耦合器可实现从单模光纤中的基模LP01向少模光纤中的高阶模LP11转换，并且在单模光纤输出端输出基模，在少模光纤输出端输出高阶模。
优选地，所述泵浦源发出的光经过波分复用器耦合进增益光纤，增益光纤将光放大，该连续光通过第一偏振谐振器进入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出至半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜具有可饱和吸收效应将连续光变为脉冲光并反射到激光器谐振腔内，从环形器的第三端口输出，第三端口输出光经第二偏振控制器进入模式选择耦合器，光通过模式选择耦合器时，单模光纤输出端输出LP01模至波分复用器的长波长输入端口，用于在腔内产生谐振，少模光纤输出端口输出LP11模，通过调节第二偏振控制器和第三偏振控制器，实现对模场的偏振态精确控制，在输出端得到呈环状分布的柱矢量激光。
优选地，所述模式选择耦合器少模光纤输出端的高阶模具有较高的模式纯度和较低的***损耗。
优选地，所述第三偏振控制器的后方设置有一准直透镜，所述准直透镜的后方设置有一电荷耦合探测器，所述第三偏振控制器的输出端输出的光经过准直透镜准直后再由电荷耦合探测器测得相应的光斑图像。
优选地，所述增益光纤为掺镱光纤或掺铒光纤，所述掺镱光纤对应于1微米波段，所述掺铒光纤对应于1550微米波段。
优选地，利用半导体可饱和吸收镜对光的可饱和吸收效应进行锁模，当调节第一偏振控制器时，在光纤激光器输出端将输出超短脉冲激光。
优选地，当通过调节第一偏振控制器实现锁模操作后，调节模式选择耦合器两边的第二偏振控制器和第三偏振控制器，可以在少模光纤输出端分别得到柱矢量激光中径向偏振光和角向偏振光。
本发明技术方案的优点主要体现在：该光纤激光器的所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑，不受外界因素干扰，可连续稳定工作，而且利用半导体可饱和吸收镜对光的可饱和吸收效应进行锁模，可产生一个稳定的脉冲柱矢量激光，而且该光纤激光器使用的模式选择耦合器具有损耗小，模式纯度高，制备简单等优点，使得脉冲柱矢量激光具有更高的模式纯度，更低的损耗和更高的斜率效率。
附图说明
图1为本发明的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明模式选择耦合器的结构示意图。
图3为本发明单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模在1.064μm波长下的模式有效折射率随光纤直径的变化曲线。
图4为本发明模式耦合过程仿真图，(a)和(b)为单模光纤中的LP01模与少模光纤中LP11模在耦合区功率周期***换图,(c)-(f)为单模光纤中的基模向少模光纤中的高阶模转换的动态图。
图5为本发明模式选择耦合器的少模光纤输出端的在不同波长下的模场分布，通过CCD测试获得。
图6为本发明模式选择耦合器的两个输出端透射光谱。
图7为本发明基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器的实验结果，(a)为脉冲柱矢量光纤激光器的光谱；(b)为脉冲柱矢量光纤激光器的输出时域波形图。
图8为本发明基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器的实验测试结果，(a)为脉冲柱矢量光纤激光器的射频频谱；(b)为脉冲柱矢量光纤激光器的输出功率的斜率曲线。
图9为本发明CCD探测获得的柱矢量激光模斑图以及加起偏器后的激光模斑图；其中，(a)为角向偏振光模斑，呈环状分布，(b)、(c)、(d)、(e)均为角向偏振激光输出加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布，(f)为径向偏振光模斑，光场呈环状分布，(g)、(h)、(i)、(j)均为径向偏振激光加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、第一偏振控制器4、环形器5、半导体可饱和吸收镜6、第二偏振控制器7、模式选择耦合器8和第三偏振控制器9，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔。所述泵浦源的输出端与波分复用器的短波长端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、第一偏振控制器和环形器的第一端口51相连，环形器的第二端口52连接一个半导体可饱和吸收镜，环形器的第三端口53依次通过第二偏振控制器、模式选择耦合器与波分复用器的长波长端相连构成环形腔，第三偏振控制器连接在模式选择耦合器的少模光纤输出端。
在所述环形器和第二偏振控制器之间还设置有耦合器12，所述耦合器的第一端口与环形器的第三端口相连，第二端口与第二偏振控制器的一端相连。激光器的所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑，不受外界因素干扰，可连续稳定工作，而且利用半导体可饱和吸收镜对光的可饱和吸收效应进行锁模，可产生一个稳定的脉冲柱矢量激光。
所述模式选择耦合器可以在不同的光纤输出端选择性地输出不同的模式，具有模式转换和模式选择两个功能。所述模式选择耦合器可以实现从单模光纤中的基模LP01向少模光纤中的高阶模LP11转换，并且在单模光纤输出端输出基模，在少模光纤输出端输出高阶模。该模式选择耦合器通过一种新型的无预拉熔融拉锥的方法制作，具有损耗小，模式纯度高，制备简单等优点，使得脉冲柱矢量激光具有更高的模式纯度，更低的损耗和更高的斜率效率。
具体地，所述泵浦源发出的光经过波分复用器耦合进增益光纤，增益光纤将光放大，该连续光通过第一偏振谐振器进入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出至半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜将连续光变为脉冲光并反射到激光器谐振腔内，从环形器的第三端口输出，第三端口输出光经第二偏振控制器进入模式选择耦合器，光通过模式选择耦合器时，单模光纤输出端输出LP01模至波分复用器的长波长输入端口，用于在腔内产生谐振，少模光纤输出端口输出LP11模，通过调节第二偏振控制器和第三偏振控制器，实现对模场的偏振态精确控制，在输出端得到呈环状分布的柱矢量激光。
所述第三偏振控制器的后方设置有一准直透镜10，所述准直透镜的后方设置有一电荷耦合探测器11，所述电荷耦合探测器简称为CCD，charge coupled device，所述第三偏振控制器的输出端输出的光经过准直透镜准直后再由CCD测得相应的光斑图像。所述增益光纤为掺镱光纤或掺铒光纤，所述掺镱光纤对应于1微米波段，所述掺铒光纤对应于1550微米波段，在本实施例中，所述增益光纤优选为掺镱光纤。
利用半导体可饱和吸收镜对光的可饱和吸收效应进行锁模，当调节第一偏振控制器实现对光的相位锁定时，可以在光纤激光器输出端将输出超短脉冲激光。当通过调节第一偏振控制器实现锁模操作后，调节模式选择耦合器两边的第二偏振控制器和第三偏振控制器，可以在少模光纤输出端分别得到柱矢量激光中径向偏振光和角向偏振光。
图2是模式选择耦合器的结构示意图，其工作原理如下：
根据耦合模理论和耦合模方程:
式中，z表示耦合的距离，β1和β2分别为单模光纤中的LP01模式和少模光纤中被激起的某一模式的传播常数；C为耦合系数；如果β2是少模光纤中LP11模式的传播常数，当相位不匹配Δβ＝β1-β2为0时，这表明单模光纤中的基模(LP01)和少模光纤中的高阶模(LP11)满足相位匹配条件。在相位匹配条件下，方程1和2可以简化为：P1(z)＝cos2(Cz)和P2(z)＝sin2(Cz)，表明两个模式进行周期性的功率交换，实现了LP01模向LP11模的模式转换。并且在单模光纤输出端输出LP01模，在少模光纤输出端输出LP11模，通过在不同的光纤输出端选择性的输出不同的模式，实现了模式分离的功能。
因为模式的传播常数随着光纤的直径而变化，为了使单模光纤中LP01模和少模光纤中LP11模满足相位匹配条件。利用有限元法(BPM)计算单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模的传播常数在1.06μm波长下随光纤直径变化关系，如图3所示，从图中可以看出但单模光纤和少模光纤具有相同的直径22.4μm时满足相位匹配条件。
如图4所示为基于光束传播法(BPM)，利用Rsoft仿真获得的实现相位匹配的光纤直径参数进行仿真计算获得的LP01模与LP11模功率周期***换的仿真图。利用熔融拉锥法直接将单模光纤和少模光纤放进拉锥机中进行熔融拉锥处理，当单模光纤和少模光纤的直径为22.4μm时即可制备模式选择耦合器，因为单模光纤和少模光纤具有相同的直径，无需利用传统的方法将单模光纤或少模光纤先预拉伸处理才能满足相位匹配条件，利用CCD观测少模光纤输出端的在1μm附近的模斑。所述模式选择耦合器少模光纤输出端的高阶模具有较高的模式纯度和较低的***损耗，如图5所示，经测量得到模式选择耦合器少模光纤输出端的高阶模(LP11)的纯度在96％以上，且模式选择耦合器的损耗在0.5dB以下。
在模式选择耦合器的单模光纤输入端输入自发辐射光源，分别测量单模光纤和少模光纤输出端的透射谱如图6所示。为了让模式选择耦合器不受环境的影响和稳定的工作，将模式选择耦合器进行封装处理。
如图7所示为基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器实验结果,其中图(a)为激光器的输出光谱，3dB带宽为1.5nm,中心波长为1042.3nm，边模抑制比为31dB。(b)为脉冲柱矢量光纤激光器的输出时域波形图，脉冲的重复频率为18.58MHz。
如图8所示为基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器实验结果，其中图(a)为脉冲柱矢量光纤激光器的射频分析谱，从图中可以看出重复频率为18.58MHz，在0.6MHz的带宽内，信噪比高达50dB。图(b)为激光器输出脉冲的平均功率随泵浦功率变化的曲线图。实验测试得到激光器单模光纤输出端的斜率效率为5.7％，少模光纤输出端的斜率效率为4.2％。
图9所示为CCD探测获得的柱矢量激光模斑图以及加起偏器后的激光模斑图：其中，(a)为角向偏振光模斑，呈环状分布，(b)、(c)、(d)、(e)均为角向偏振激光输出加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布，(f)为径向偏振光模斑，光场呈环状分布，(g)、(h)、(i)、(j)均为径向偏振激光加入偏振片并改变偏振片光轴方向后获得的偏振光场分布。测试结果显示所获得的柱矢量光束的偏振纯度大于96％。
本发明利用半导体可饱和吸收镜进行锁模操作，产生的脉冲柱矢量激光更稳定，而且无需任何主动脉冲调制器件，结构简单，对腔长变化不敏感，可实现自启动并稳定锁模。本发明将半导体可饱和吸收镜和模式选择耦合器结合，在激光器的输出端将得到一个脉冲稳定、模式纯度高和效率高的脉冲柱矢量激光。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、环形器、半导体可饱和吸收镜、第二偏振控制器、模式选择耦合器和第三偏振控制器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述泵浦源的输出端与波分复用器的短波长端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、第一偏振控制器和环形器的第一端口相连，环形器的第二端口连接一个半导体可饱和吸收镜，环形器的第三端口依次通过第二偏振控制器、模式选择耦合器与波分复用器的长波长端相连构成环形腔，第三偏振控制器连接在模式选择耦合器的少模光纤输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：在所述环形器和第二偏振控制器之间还设置有耦合器，所述耦合器的第一端口与环形器的第三端口相连，第二端口与第二偏振控制器的一端相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述模式选择耦合器可在不同的光纤输出端选择性地输出不同的模式，具有模式转换和模式选择两个功能。
4.根据权利要求3所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述模式选择耦合器可实现从单模光纤中的基模LP01向少模光纤中的高阶模LP11转换，并且在单模光纤输出端输出基模，在少模光纤输出端输出高阶模。
5.根据权利要求4所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源发出的光经过波分复用器耦合进增益光纤，增益光纤将光放大，该连续光通过第一偏振谐振器进入环形器的第一端口，从环形器的第二端口输出至半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜具有可饱和吸收效应将连续光变为脉冲光并反射到激光器谐振腔内，从环形器的第三端口输出，第三端口输出光经第二偏振控制器进入模式选择耦合器，光通过模式选择耦合器时，单模光纤输出端输出LP01模至波分复用器的长波长输入端口，用于在腔内产生谐振，少模光纤输出端口输出LP11模，通过调节第二偏振控制器和第三偏振控制器，实现对模场的偏振态精确控制，在输出端得到呈环状分布的柱矢量激光。
6.根据权利要求5所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述模式选择耦合器少模光纤输出端的高阶模具有较高的模式纯度和较低的***损耗。
7.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述第三偏振控制器的后方设置有一准直透镜，所述准直透镜的后方设置有一电荷耦合探测器，所述第三偏振控制器的输出端输出的光经过准直透镜准直后再由电荷耦合探测器测得相应的光斑图像。
8.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤为掺镱光纤或掺铒光纤，所述掺镱光纤对应于1微米波段，所述掺铒光纤对应于1550微米波段。
9.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：利用半导体可饱和吸收镜对光的可饱和吸收效应进行锁模，当调节第一偏振控制器时，在光纤激光器输出端将输出超短脉冲激光。
10.根据权利要求1所述的一种基于模式选择耦合器的脉冲柱矢量光纤激光器，其特征在于：当通过调节第一偏振控制器实现锁模操作后，调节模式选择耦合器两边的第二偏振控制器和第三偏振控制器，在少模光纤输出端分别得到柱矢量激光中的径向偏振光和角向偏振光。
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