基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器及產生方法
2023-09-20 03:59:40 2
專利名稱：基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器及產生方法
技術領域：
本發明涉及雷射器領域，特別是涉及少模光纖光柵的全光纖結構軸對稱偏振光束雷射器及偏振雷射光束產生方法。
背景技術：
軸對稱偏振態是一種有別於普通偏振特性的一種特殊偏振態，它的偏振態是圍繞光束中心對稱分布的，一般有兩種徑向偏振(如圖5所示)和角向偏振(如圖6所示)。 軸對稱偏振光束的能量分布上也有別於一般的雷射光束，其能量分布為環狀，光束中心為能量分布的零點。軸對稱偏振光束的特殊偏振分布特性使得它在很多領域都有特殊的優勢，尤其是徑向偏振光。在雷射光鑷，雷射加工，近場光學，高密度光存儲等領域都有非常好的應用。目前所報導的軸對稱偏振雷射器大多數都是空間結構的雷射器，個別全光纖的結構的軸對稱偏振雷射器也沒有避免空間耦合過程，這樣便攜性就大打折扣；而且這些雷射器對於激發軸對稱偏振光束的輸入雷射功率要求很高；此外，由於空間結構的引入，這些雷射器的輸出穩定性也不是很好。
發明內容
本發明的技術解決問題為了克服背景技術中所述缺陷，本發明提供一種基於少模光纖光柵的全光纖結構軸對稱偏振光束雷射器和軸對稱偏振雷射光束產生方法，便攜性和穩定性好，並且由於少模光纖光柵對於模式的選擇作用，輸出光束的模式純度較高。本發明技術解決方案之一基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器， 包括泵浦源、增益介質、波長選擇組件、模式耦合部分及模式選擇組件，其中所述泵浦源，為半導體雷射器，與波分復用器相連，並向與波分復用器公共端相連的增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生雷射；所述增益介質為稀土摻雜光纖，兩端分別和波長選擇元件及模式耦合部分相連， 在泵浦源雷射的激發下發生受激輻射產生雷射，其模式為基模；所述波長選擇組件，為單模光纖光柵或者寬帶反射器件和帶通濾波器組合所述單模光纖光柵與波分復用器一端相連；所述的帶通濾波器分別和寬帶反射器與波分復用器的另一端相連；同時，單模光纖光柵或寬帶反射器作為全光纖軸對稱偏振光束雷射器的一個腔鏡；所述單模光纖光柵的反射波長和帶通濾波器的組合的透射波長均與少模光纖光柵的基模反射波長相同，以此來控制全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振波長與少模光纖光柵的基模反射波長相同；所述模式耦合部分，由稀土摻雜光纖與少模光纖光柵所連接的少模光纖錯位熔接構成，或是由稀土摻雜光纖續接的單模光纖與少模光纖光柵所連接的少模光纖錯位熔接構成，所述模式耦合部分兩端分別與稀土摻雜光纖和模式選擇組件相連，將稀土摻雜光纖產生的基模一部分轉化為一階高階模，另一部分保留為基模，也就是基模光經過該模式耦合部分後變為基模和一階高階模的混合模式，所述一階高階模式包括徑向偏振的TM01模式和角向偏振的TEtll模式；所述模式選擇組件，用於選擇和調整輸出光束的橫模特性，它由偏振控制器和少模光纖光柵組成，少模光纖光柵續接的少模光纖穿過偏振控制器與模式耦合部分相連；所述少模光纖是指允許除了基模之外，還允許一階高階模式傳輸的光纖；所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵，對於少模光纖光柵，一階高階模與基模在該少模光纖光柵上的反射波長不同；當雷射諧振波長和少模光纖光柵的基模反射波長相同時，由稀土摻雜光纖產生的基模雷射每次經過模式耦合部分得到的混合模式中的基模滿足反射條件而被反射回腔內作為諧振模式，而一階高階模由於不受少模光纖光柵的限制而成為輸出模式，少模光纖光柵與波長選擇組件共同作用保證輸出光束單波長窄線寬特，並通過述偏振控制器擠壓和擰轉光纖來調節輸出光束在徑向偏振和角向偏振之間切換。基於少模光纖的全光纖軸對稱偏振光束雷射光束產生方法，實現如下由泵浦源輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生基模雷射，從增益介質產生的基模雷射每次經過模式耦合部分，一部分被耦合為一階高階模式，一部分保留為基模，形成兩者的混合模式；所述的模式耦合部分由兩段光纖錯位熔接構成的，所述一階高階模式包括徑向偏振的TM01模式和角向偏振的TEtll模式；波長選擇組件控制雷射器諧振波長處於少模光纖光柵的基模反射波長位置，經過模式耦合部分得到的混合模式中的基模被反射回腔內繼續諧振，而一階高階模式由於不受少模光纖光柵的限制而全部輸出，並且通過調節偏振控制器使出射的光束在徑向偏振和角向偏振切換；所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵，對於少模光纖光柵，一階高階模與基模在該少模光纖光柵上的反射波長不同。本發明技術解決方案之二 基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器， 包括泵浦源、增益介質、波長選擇組件以及模式選擇組件，其中所述泵浦源，為半導體雷射器，與波分復用器相連，並向與波分復用器公共端相連的增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生雷射；所述增益介質，為少模稀土摻雜光纖，所述的少模稀土摻雜光纖是指滿足基模和一階高階模運轉的稀土摻雜光纖；在泵浦雷射的激發下發生受激輻射產生雷射，在全光纖軸對稱偏振光束雷射器諧振之前，該雷射的模式為基模和一階高階模的混合模式，在該全光纖軸對稱偏振光束雷射器諧振之後，該雷射的模式全部為一階高階模式，所述一階高階模式包括徑向偏振的TM01模式和角向偏振的TEtll模式；所述波長選擇組件，是可以支持一階高階模運轉的帶通濾波器，帶通濾波器兩端分別與少模稀土摻雜光纖及模式選擇組件相連接，帶通濾波器的透射波長和少模光纖光柵的一階高階模式反射波長相同，用以控制雷射器的諧振波長與少模光纖光柵的一階高階模的反射波長相同；所述模式選擇組件，由偏振控制器和兩個相同少模光纖光柵組成，所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵；所述第一個少模光纖光柵，一端和波分復用器公共端相連，另一端與少模稀土摻雜光纖相連，作為該全光纖軸對稱偏振光束雷射器的一個腔鏡；第二個少模光纖光柵一端與帶通濾波器相連，另一端作為該全光纖軸對稱偏振光束雷射器的輸出腔鏡，偏振控制器加載於少模光纖光柵續接的少模光纖上；全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振波長被控制在一階高階模反射波長位置，每次循環一階高階模都被少模光纖光柵大量返回形成反饋增強，而基模被帶通濾波器衰減，經過多次循環後，一階高階模式佔有增益競爭優勢，成為全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振模式，此時全光纖軸對稱偏振光束雷射器腔內只存在一階高階模，不存在基模，此時由輸出腔鏡出射的都為一階高階模式，並通過偏振控制器擠壓和擰轉光纖，來調節輸出光束在徑向偏振和角向偏振之間切換。基於少模光纖的軸對稱偏振雷射光束產生方法，泵浦源通過波分復用器向增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生基模和一階高階模混合模式雷射，所述一階高階模式包含徑向偏振的TMtll模式和角向偏振的TEtll模式；波長選擇組件控制雷射器諧振波長處於少模光纖光柵的一階高階模反射波長位置；在全光纖軸對稱偏振光束雷射器初始循環中，從增益介質中產生的混合模式雷射中的一階高階模式被少模光纖光柵返回腔內，基模透射損耗；經過多次循環，一階高階模式處於反饋機制中的優勢而成為雷射器的諧振模式， 整個全光纖軸對稱偏振光束雷射器腔內諧振的模式為一階高階模式，此時從輸出腔鏡出射的都為一階高階模式；並且可以通過調節偏振控制器使出射的光束在徑向偏振和角向偏振切換。本發明與現有技術相比的優點在於本發明中利用少模光纖光柵的波長-橫模對應特性，在光纖諧振腔內結合波長選擇器件，實現軸向偏振雷射光束輸出，且輸出具有高偏振純度、單波長窄線寬、方便實現徑向偏振雷射和角向偏振雷射可控切換等特性。相比於現有的軸對稱偏振光束雷射器及產生方法，本發明沒有任何空間耦合器件參與其中，結構上更加穩定，便於移動和產品化，是真正意義上的全光纖軸對稱偏振光束雷射器。
圖1為本發明全光纖軸對稱偏振雷射器實施例1的結構示意圖；圖2為本發明全光纖軸對稱偏振雷射器實施例2的結構示意圖；圖3為本發明全光纖軸對稱偏振雷射器實施例3的結構示意圖；圖4為本發明TMtll模式對應的橫模場光強分布和偏振分布圖(徑向偏振)，其中箭頭標識為偏振方向；圖5為本發明TEtll模式對應的橫模場光強分布和偏振分布圖(角向分布)，其中箭頭標識為偏振方向；圖6為本發明失諧耦合和錯位熔接的結構示意圖。
具體實施例方式在敘述實施例的具體結構和內容之前，對光纖及光纖光柵模式理論進行必要的簡述，尤其對於少模光纖和少模光纖光柵進行必要的解釋。所謂少模光纖是有別於只能支持基模(HE11)在其內部較小損耗傳輸的單模光纖， 它還可以支持一些更高階次的橫模(TMQ1，TE01等)作為導模傳輸，所述的TMtll模式和TEtll 模式的強度分布和偏振分布對應於圖4和圖5，分別為徑向偏振模式和角向偏振模式。
對於少模光纖，歸一化頻率(V)是一種較好的描述
權利要求
1.基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器，其特徵在於包括泵浦源、增益介質、波長選擇組件、模式耦合部分及模式選擇組件，其中所述泵浦源，為半導體雷射器，與波分復用器相連，並向與波分復用器公共端相連的增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生雷射；所述增益介質為稀土摻雜光纖，兩端分別和波長選擇元件及模式耦合部分相連，在泵浦源雷射的激發下發生受激輻射產生雷射，其模式為基模；所述波長選擇組件，為單模光纖光柵或者寬帶反射器件和帶通濾波器組合所述單模光纖光柵與波分復用器一端相連；所述的帶通濾波器分別和寬帶反射器與波分復用器的另一端相連；同時，單模光纖光柵或寬帶反射器作為全光纖軸對稱偏振光束雷射器的一個腔鏡； 所述單模光纖光柵的反射波長和帶通濾波器的透射波長均與少模光纖光柵的基模反射波長相同，以此來控制全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振波長與少模光纖光柵的基模反射波長相同；所述模式耦合部分，由稀土摻雜光纖與少模光纖光柵所連接的少模光纖錯位熔接構成，或是由稀土摻雜光纖續接的單模光纖與少模光纖光柵所連接的少模光纖錯位熔接構成；所述模式耦合部分兩端分別與稀土摻雜光纖和模式選擇組件相連，經過模式耦合部分稀土摻雜光纖產生的基模一部分轉化為一階高階模，另一部分保留為基模，也就是變為基模和一階高階模的混合模式，所述一階高階模式包括徑向偏振的TMtll模式和角向偏振的 TE01模式；所述模式選擇組件，用於選擇和調整輸出光束的橫模特性，它由偏振控制器和少模光纖光柵組成，少模光纖光柵續接的少模光纖穿過偏振控制器與模式耦合部分相連；所述少模光纖是指允許除了基模之外，還允許一階高階模式傳輸的光纖；所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵，對於少模光纖光柵，一階高階模與基模在該少模光纖光柵上的反射波長不同；當雷射諧振波長和少模光纖光柵的基模反射波長相同時，由稀土摻雜光纖產生的基模雷射每次經過模式耦合部分得到的混合模式中的基模滿足反射條件而被反射回腔內作為諧振模式，而一階高階模由於不受少模光纖光柵的限制而成為輸出模式，少模光纖光柵與波長選擇組件共同作用保證輸出光束單波長窄線寬特性， 並通過偏振控制器擠壓和擰轉光纖來調節輸出光束在徑向偏振和角向偏振之間切換。
2.基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射光束產生方法，其特徵在於實現如下按照權利要求1所述的雷射器結構連接，由泵浦源輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生基模雷射，從增益介質產生的基模雷射每次經過模式耦合部分，一部分被耦合為一階高階模式，一部分保留為基模，形成兩者的混合模式；所述的模式耦合部分由兩段光纖錯位熔接構成的，所述一階高階模式包括徑向偏振的TMtll模式和角向偏振的TEtll模式；波長選擇組件控制雷射器諧振波長處於少模光纖光柵的基模反射波長位置，經過模式耦合部分得到的混合模式中的基模被反射回腔內繼續諧振，而一階高階模式由於不受少模光纖光柵的限制而全部輸出，並且通過調節偏振控制器使出射的光束在徑向偏振和角向偏振切換；所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵，對於少模光纖光柵， 一階高階模與基模在該少模光纖光柵上的反射波長不同。
3.基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器，其特徵在於包括泵浦源、增益介質、波長選擇組件以及模式選擇組件，其中所述泵浦源，為半導體雷射器，與波分復用器相連，並向與波分復用器公共端相連的增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生雷射；所述增益介質，為少模稀土摻雜光纖，所述的少模稀土摻雜光纖是指光纖滿足基模和一階高階模運轉的稀土摻雜光纖；在泵浦雷射的激發下發生受激輻射產生雷射，在全光纖軸對稱偏振光束雷射器諧振之前，該雷射的模式為基模和一階高階模的混合模式，在該全光纖軸對稱偏振光束雷射器諧振之後，該雷射的模式全部為一階高階模式，所述一階高階模式包括徑向偏振的TM01模式和角向偏振的TEtll模式；所述波長選擇組件，是可以支持一階高階模運轉的帶通濾波器，帶通濾波器兩端分別與少模稀土摻雜光纖及模式選擇組件相連接，帶通濾波器的透射波長應處於少模光纖光柵的一階高階模式反射波長位置，用以控制雷射器的諧振波長與少模光纖光柵的一階高階模的反射波長相同；所述模式選擇組件，由偏振控制器和兩個相同少模光纖光柵組成，所述少模光纖光柵是指在對於反射波長為少模光纖上刻寫的布拉格光柵；所述第一個少模光纖光柵，一端和波分復用器公共端相連，另一端與少模稀土摻雜光纖相連，作為該全光纖軸對稱偏振光束雷射器的一個腔鏡；第二個少模光纖光柵一端與帶通濾波器相連，另一端作為該全光纖軸對稱偏振光束雷射器的輸出腔鏡，偏振控制器加載於少模光纖光柵續接的少模光纖上；全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振波長被控制在一階高階模反射波長位置，每次循環一階高階模都被少模光纖光柵大量返回形成反饋增強，而基模被帶通濾波器衰減，經過多次循環後，一階高階模式佔有增益競爭優勢，成為全光纖軸對稱偏振光束雷射器的諧振模式，此時全光纖軸對稱偏振光束雷射器腔內只存在一階高階模，不存在基模，此時由輸出腔鏡出射的都是一階高階模式，並通過偏振控制器擠壓和擰轉光纖，來調節輸出光束在徑向偏振和角向偏振之間切換。
4.基於少模光纖光柵的軸對稱偏振雷射光束產生方法，其特徵在於按照權利要求3 所述的雷射器的結構連接，泵浦源通過波分復用器向增益介質輸入連續雷射，激勵增益介質工作產生基模和一階高階模混合模式雷射，所述一階高階模式包含徑向偏振的TM01模式和角向偏振的TEtll模式；波長選擇組件控制雷射器諧振波長處於少模光纖光柵的一階高階模反射波長位置；在全光纖軸對稱偏振光束雷射器初始循環中，從增益介質中產生的混合模式雷射中的一階高階模式被少模光纖光柵返回腔內形成反饋增強，而基模被帶通濾波器衰減；經過多次循環，一階高階模式處於反饋機制中的優勢而成為雷射器的諧振模式，整個全光纖軸對稱偏振光束雷射器腔內諧振的模式為一階高階模式，此時從少模光纖光柵作為的輸出腔鏡出射的都為一階高階模式；並且可以通過調節偏振控制器使出射的光束在徑向偏振和角向偏振切換。
全文摘要
基於少模光纖光柵的全光纖軸對稱偏振光束雷射器及其軸對稱偏振雷射光束產生方法，利用少模光纖光柵特殊的波長--橫模對應特性，在光纖諧振腔內結合波長選擇器件，實現軸向偏振雷射光束輸出。該雷射器主要包括泵浦源、增益介質、波長選擇組件和含有少模光纖光柵的模式選擇組件。本發明輸出具有高偏振純度、單波長窄線寬、方便實現徑向偏振雷射和角向偏振雷射可控切換等特性。本發明沒有任何空間耦合器件參與其中，結構上更加穩定，便於移動和產品化，是真正意義上的全光纖軸對稱偏振光束雷射器。
文檔編號H01S3/10GK102544999SQ20121002226
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月1日 優先權日2012年2月1日
發明者孫彪, 明海, 王安廷, 許立新, 顧春 申請人:中國科學技術大學