[發明專利]一種全光纖渦旋光鎖模環形腔激光器

有效

• 申請號: 201910696588.1
• 申請日: 2019-07-30
• 公開（公告）號: CN110556690B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 甘久林;衡小波;楊中民;張智深;林巍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/094;H01S3/0941;H01S3/098
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種全光纖渦旋光鎖模環形腔激光器，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、軌道角動量模式產生器、波分復用器、渦旋增益光纖、光纖耦合器、鎖模器和渦旋光纖。本發明基于渦旋光纖的模式分離和優化設計，采用渦旋光纖器件可確保特定階軌道角動量模式在諧振腔內和輸出端的產生和穩定傳輸。基于同階模式泵浦機制和諧振腔濾模效應，利用特定階軌道角動量模式泵浦光對環形腔進行泵浦，使得腔內同階軌道角動量模式的信號光獲得增益最大化，進而在鎖模器的作用下獲得渦旋光鎖模激光輸出。本發明基于環形腔內單一模式直接諧振機制，輸出的渦旋光鎖模激光具有模式純度高和光束質量好等優點。

技術領域

本發明涉及激光技術領域，尤其涉及一種全光纖渦旋光鎖模環形腔激光器。

背景技術

渦旋光束是場分布帶有螺旋相位項exp(ilφ)的一種光束，光束中每個光子攜帶lh的軌道角動量（l為拓撲荷數，φ為方位角，h為普朗克常量），具有環形光場分布和螺旋相位奇點的特點。這些獨特的性質使其被廣泛應用于材料加工、光鑷、高分辨率成像、光纖傳感和光纖通信等領域。但是，這些應用前景對漩渦光束的輸出峰值功率、穩定性、模式純度和帶寬等方面提出了更高的要求。鎖模脈沖激光由于具有窄脈沖寬度、高峰值功率、寬頻譜寬度等優點可以滿足這樣的要求。同時，鎖模脈沖激光在材料精細加工、強場激光與物質相互作用等領域也有著重要的應用，也是應用于波分復用和光時分復用實現未來大容量高速光纖通信的關鍵技術之一。將鎖模脈沖激光和渦旋激光結合形成鎖模脈沖渦旋激光，應用的領域將更加廣泛。因此，研究渦旋光鎖模激光器具有十分重要的意義。

鎖模激光器有兩種常用架構：基于塊狀光學元件的空間結構和基于光纖器件的光纖架構。相比于前者，鎖模光纖激光器具有明顯的優勢，一方面光纖激光器的腔結構靈活（線形腔或環形腔），腔內可調參數多，便于產生鎖模脈沖。另一方面鎖模光纖激光器具有全光纖腔，而光纖本身具有很多特有的特性，如自相位調制、交叉相位調制、非線性偏振旋轉等，合理利用這些特性可以有效改善脈沖質量。關于鎖模光纖激光器的研究有很多，專利CN105428976A公布了一種鎖模光纖激光器及脈沖激光產生方法，采用線形腔結構產生了鎖模脈沖。專利CN106785842A公布了一種基于砷化鎘薄膜的被動鎖模光纖激光器，采用環形腔結構實現高脈沖能量鎖模脈沖輸出。實際上，光波在光纖傳輸時，由于纖芯邊界的限制，求解光波傳輸的亥姆霍茲方程得到的是不連續的電磁場解，這種不連續的場解稱為模式，包括基橫模和高階橫模。傳統單模光纖中穩定傳輸的模式即為基橫模。而光纖中的渦旋光是由高階矢量橫模（HE或EH）的奇模和偶模以π/2相位差疊加而成，也稱為軌道角動量模式。很顯然，上述專利公布的鎖模光纖激光器輸出的脈沖為基橫模鎖模脈沖，是不能直接產生渦旋光鎖模脈沖的。

目前，產生渦旋光鎖模脈沖的方法是在傳統鎖模光纖激光器的輸出端外加軌道角動量模式產生器或轉換器，也就是將基橫模鎖模脈沖轉換為軌道角動量模式鎖模脈沖，例如專利CN105870768A、CN108963734A和CN108988112A。雖然這種方法也能產生軌道角動量模式鎖模激光，但激光性能嚴重依賴于軌道角動量模式產生器或轉換器的性能，輸出激光的模式純度偏低，光束質量較差。另外，大多數的光纖型軌道角動量模式產生器或轉換器是基于單模光纖和傳統少模光纖或多模光纖制得。傳統單模光纖只支持基橫模的傳輸，傳統少模光纖或多模光纖中由于弱波導近似使相近傳播常數的高階矢量橫模簡并為線偏振模式，均無法滿足軌道角動量模式在光纖中穩定傳輸。因此，由傳統鎖模光纖激光器輸出端轉換而來的軌道角動量模式鎖模脈沖傳輸不穩定。因此，設計一種鎖模光纖激光器以獲得穩定、高模式純度的軌道角動量模式鎖模激光具有十分重要的意義。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種全光纖渦旋光鎖模環形腔激光器。具有結構簡單、成本低、易于光纖系統集成、輸出激光軌道角動量模式純度高和穩定性好的優點。

本發明的目的能夠通過以下技術方案實現：