一种基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器。

背景技术：

近些年来，柱矢量激光，特别是具有超短脉冲宽度的柱矢量激光因其对称的偏振特性和强度特性，以及径向偏振光在高数值孔径下的聚焦特性，受到了极大的关注，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。

目前，柱矢量激光主要通过空间相位调制器、组合半波片、双折射晶体和亚波长光栅等体块式自由空间器件对光偏振态的精确调控来获得。但是利用上述器件产生柱矢量激光，对于这些器件的精密程度和作用范围都有着严格的要求，而且光路不易集成、制作成本高。

近几年，利用全光纤的方法激发高阶模并获得柱矢量激光成为研究热点，主要利用光纤错位耦合的方法激发高阶模，以少模光纤光栅作为横向高阶模选模单元，结合锁模技术获得超短脉冲柱矢量激光，如公告号为CN102544999B、名称为“基于少模光纤光栅的全光纤轴对称偏振光束激光器及产生方法”的发明专利。通过错位耦合和少模光栅的全光纤方法激发柱矢量激光的优点是结构简单，易于集成，然而其缺点在于：(1)光纤错位耦合的方法产生的高阶模损耗较大，柱矢量激光斜率效率低、输出功率小，限制了其在长距离光纤通信和光纤传感系统中的应用；(2)通过错位耦合的方法产生高阶模的同时，必须使用少模光栅进行选模操作，而少模光栅制备技术要求高，周期长，价格昂贵，实用化性能较低。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纯度高、稳定性高、结构紧凑的超短脉冲柱矢量激光器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决是克服现有技术产生超短脉冲柱矢量激光的结构复杂、损耗大、效率低和制作成本昂贵等缺点，提供一种新型的产生超短脉冲柱矢量激光的方法，即基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器，该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，而且该光纤激光器损耗小、成本低、输出效率高。通过8字腔构成非线性放大环镜，实现锁模操作，获得超短脉冲宽度激光输出；腔内置入模式选择耦合器，实现高纯度、高效率的超短脉冲柱矢量激光输出。

为解决上述技术问题本发明采用的技术方案是一种基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、3dB耦合器、隔离器、耦合器和模式选择耦合器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、单模光纤、第一偏振控制器与3dB耦合器的1端口输入端相连，3dB耦合器的2端口输入端和波分复用器的长波长端口相连，3dB耦合器的4端口依次通过隔离器、耦合器、模式选择耦合器与3dB耦合器的3端口相连，构成一个8字谐振腔，第二偏振控制器连接到模式选择耦合器的少模光纤输出端。

进一步，上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，且插入损耗小。

由于8字腔中的非线性放大环镜的作用，在3dB耦合器4端口输出端输出光脉冲，光脉冲经隔离器和耦合器后进入模式选择耦合器的输入端，通过模式选择耦合器实现从基模LP01到高阶模LP11模式转换，在单模光纤输出端口输出基模LP01，在少模光纤输出端输出高阶模LP11。

利用8字谐振腔中构成的非线性放大环形镜充当可饱和吸收体进行锁模，当调节第一偏振控制器时，在输出端输出超短光脉冲。

通过调节第二偏振控制器，将会在少模光纤输出端得到呈环状分布、偏振纯度较高的超短脉冲柱矢量激光。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果；

(1)本发明利用模式选择耦合器作为激光器谐振腔内模式转换器件，损耗小，效率高，获得的柱矢量光偏振纯度高；利用模式选择耦合器作为激光器谐振腔内选模器件，替代少模光栅，经济便捷，性价比高。

(2)本发明采用全光纤8字谐振腔实现激光器锁模，结构简单，输出激光脉冲脉宽窄且性能稳定。

(3)本发明采用全光纤结构，激光器输出效率高，结构紧凑，不受外界因素干扰，可连续稳定工作。

附图说明

图1为模式选择耦合器的结构示意图。

图2为单模光纤中的LP01模与少模光纤中LP11模在1550波长下的有效折射率随光纤半径的变化曲线。

图3为利用Rsoft软件仿真单模光纤中的LP01模式与少模光纤中的LP11模式在耦合区功率周期性交换图。

图4为模式选择耦合器在少模光纤输出端的高阶模(LP11)模斑图，通过CCD测试获得。

图5为基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的结构示意图

图6为基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的输出光谱图。

图7为基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的输出时域波形图；其中(a)为激光器输出多个时域脉冲波形图，(b)为激光器输出单个时域脉冲波形图。

图8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。

图9为激光器输出脉冲的平均功率随泵浦功率变化的曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明提出的基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、单模光纤、3dB耦合器、耦合器、隔离器、模式选择耦合器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、单模光纤、第一偏振控制器与3dB耦合器的1端口输入端相连，3dB耦合器的2端口输出端和波分复用器的长波长端口相连，3dB耦合器的4端口与隔离器、耦合器、模式选择耦合器与3dB耦合器的3端口相连，构成一个8字谐振腔，第二偏振控制器与模式选择耦合器的少模光纤输出端相连。

模式选择耦合器将单模光纤中的基模(LP01)向少模光纤中的高阶模(LP11)转换，在单模光纤输出端口输出LP01模，在少模光纤输出端口输出LP11模，在不同的光纤输出端选择性的输出不同的模式，具有模式转换和模式选择两个功能，且插入损耗小。

本发明利用8字腔中构成的非线性放大环形镜进行锁模脉冲输出，通过调节第一偏振控制器，输出的脉冲在纳秒级别。

本发明通过模式选择耦合器和8字腔的共同作用，调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，将会在耦合器输出端得到偏振纯度较高的超短脉冲柱矢量激光。

本发明结合8字腔锁模技术，实现一个锁模柱矢量光纤激光器。输出光谱稳定，而且损耗小，脉宽窄，柱矢量光偏振纯度高。

图1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；A₁和A₂分别为单模光纤中的LP01模和少模光纤中被激起的某一模式的模场振幅；C₁₁和C₂₂为自耦合系数；C₁₂和C₂₁为互耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数很小，可以忽略不计，且近似有C₁₂＝C₂₁＝C，经上式求得耦合器两个输出端口的光功率为：

当β₂为少模光纤中LP11模的传播常数时，如果此时相位差Δβ＝β₁-β₂为零，即单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模达到相位匹配的条件，此时，

P₁(z)＝cos²(cz),P₂(z)＝sin²(cz)。

上式表明，在相位匹配情况下，两个模式进行周期性功率交换，实现了LP01模向LP11模模式转换的功能；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，实现了模式选择的功能。

实现相位匹配的方法为：因为相位β＝n_eff k₀,其中k₀为真空中的传播常数，n_eff为模式的有效折射率，而模式的有效折射率随着光纤的直径变化而变化，所以当单模光纤的直径和少模光纤的直径匹配时，单模光纤中的LP01模和少模光纤中的LP11模的相位也就匹配。如图2所示为利用COMSOL软件仿真获得的单模光纤中LP01模和少模光纤中LP11模在1550波长下的有效折射率随纤芯半径的变化关系。如图3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模功率周期性交换的仿真图。利用熔融拉锥法按照图3仿真参数制作模式选择耦合器，利用CCD观测少模光纤输出端的模斑，如图4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插入损耗在1dB以下。

如图5所示为本发明的结构示意图，一种基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器。包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、3dB耦合器、隔离器、耦合器、模式选择耦合器；其中，

泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、单模光纤、第一偏振控制器与3dB耦合器的1端口输入端相连，3dB耦合器的2端口输出端和波分复用器的长波长端口相连，3dB耦合器的4端口与隔离器、耦合器、模式选择耦合器与3dB耦合器的3端口相连，构成一个8字谐振腔，第二偏振控制器接在模式选择耦合器的少模光纤输出端。

本发明的工作原理如下：泵浦源作为8字谐振腔的激励源，用于输出泵浦光至波分复用器的短波长输入端，波分复用器用于将具有波长不同的泵浦光和由其长波长输入端输入的反馈激光复用至光纤谐振腔中，增益光纤(掺铒)用于提供光放大，标准的单模光纤增加光纤的非线性效应，第一个偏振控制器控制光的偏振态，3dB耦合器用于光的分束，将光分为两路，第一路光连接波分复用器的长波长端，第二路光接至光隔离器(保证光的单向传输)，之后再接一个耦合器，少量的光作为输出端检测，大部分的光留在谐振腔中谐振，之后通过一个模式选择耦合器，在模式选择耦合器的少模光纤输出端输出高阶模，在模式选择耦合器的单模光纤输出端再接3dB耦合器的另一个输入端，构成一个8字谐振腔。其中，8字谐振腔左边的一个谐振腔中由于增益光纤，单模光纤，第一偏振控制器，3dB耦合器将形成光纤的非线性放大环境实现对光的锁模，形成一个锁模光纤激光器，而在8字谐振器中由于模式选择耦合器的存在，激光器在少模光纤输出端将输出高阶模，通过调节第二偏振控制器，实现对模场的偏振态精确控制，在输出端得到呈环状分布、偏振纯度较高的柱矢量激光。整个8字谐振腔既能实现锁模脉冲输出，又能实现柱矢量激光输出。

如图6所示为基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的输出光谱，带宽为5.5nm，中心波长为1556nm,边模抑制比为35dB。

如图7所示为基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器的输出波形图；其中(a)为激光器输出多个时域波形图，(b)为激光器输出单个时域波形图，由图可得脉冲宽度约为20ns，脉冲重复频率为0.66MHz。

图8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91.3％。

图9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的斜率效率为1.5％。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。需要说明的是以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。