基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器领域，特别是基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器。

背景技术：

柱矢量光由于其对称的偏振特性和强度特性，被广泛用于材料加工、光镊、传感等领域，采用全光纤方法激发高阶模并获得柱矢量光的柱矢量光纤激光器研究近年来成为研究热点。目前，大多数研究利用刻有光栅的少模光纤作为横向高阶模选模单元，结合锁模技术或者调Q技术在通信波段获得了脉冲柱矢量光纤激光输出，而如何在通信波段获得具有高相干性、连续光输出的窄带单纵模柱矢量光纤激光器的相关研究未见报道，但是在激光加工、光纤通信和光纤传感等领域对该类光源具有迫切的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器，本发明的所有器件均采用全光纤耦合方式，不受外界因素干扰，可连续稳定工作；通过种子光注入环形光纤谐振腔形成有源环形光纤谐振腔，在有源环形光纤谐振腔内引入刻有光栅的少模光纤作为横模选模单元，结合光栅的窄带反射谱实现窄带纵模选择，实现了高纯度柱矢量光输出，输出光谱稳定且单纵模工作。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、耦合器、种子源、第一光环形器、第二光环形器、单模光纤、刻有光栅的少模光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器；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、隔离器与耦合器的输入端相连，耦合器的反馈端与第一光环形器的第一端口相连，耦合器的另一端作为激光输出，第一光环形器的第二端口与种子源相连，第一光环形器的第三端口与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与少模光纤错位熔接，第一偏振控制器设置在单模光纤上，第二偏振控制器设置在少模光纤上，第二光环形器的第三端口与波分复用器的长波长输入端相连。

作为本发明所述的一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器进一步优化方案，所述少模光纤为最多能容纳两个或者四个模式稳定传输的光纤。

作为本发明所述的一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器进一步优化方案，刻有光栅的少模光纤的实现方式是通过紫外曝光或飞秒激光刻写的方法向少模光纤的纤芯内引入周期性折射率调制形成，其中，光栅具有窄带反射谱特性。

作为本发明所述的一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器进一步优化方案，通过向环形光纤谐振腔内注入的种子光，利用光栅的窄带反射谱，从而实现窄线宽激光纵模选择；通过刻有光栅的少模光纤进行横向选模，并通过调节第一偏振控制器和第二偏振控制器即可实现柱矢量激光输出；环形光纤谐振腔是由泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、耦合器、种子源、第一光环形器、第二光环形器、单模光纤、刻有光栅的少模光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器组成的。

作为本发明所述的一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器进一步优化方案，种子源为可调谐激光器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明刻有光栅的少模光纤作为横模选模单元，通过全光纤的方式获得柱矢量光输出，其输出矢量光偏振纯度高；

（2）本发明将种子光注入环形光纤谐振腔内形成有源环形光纤谐振腔，结合具有窄带反射谱的刻有光栅的少模光纤，获得的超窄带激光光谱，单纵模工作且输出功率稳定；

（3）本发明采用全光纤结构，不受外界因素干扰，可连续稳定工作。

附图说明

图1是基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器结构示意图。

图2为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出光谱测试图。

图3为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出的柱矢量光模斑测试图。

图4为CCD探测获得的柱矢量光斑以及加起偏器后的光斑；其中，（a）为角向偏振光模斑，（b）、（c）、（d）、（e）均为加入偏振片后的TE01偏振光场分量，（f）为径向偏振光模斑，（g）、（h）、（i）、（j）均为加入偏振片后的TM01偏振光场分量。

图5为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出光谱在两个小时内稳定性测试实验结果。

图6为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器频谱测试图。

图中的附图标记解释为：1-增益光纤，2-隔离器，3-第一光环形器，4-第二光环形器，5-第一偏振控制器，6-第二偏振控制器，7-光栅，8-错位熔接点，A-第一光环形器的第一端口，B-第一光环形器的第二端口，C-第一光环形器的第三端口，D-第二光环形器的第一端口，E-第二光环形器的第二端口，F-第二光环形器的第三端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明是利用刻有光栅的少模光纤作为光纤激光器的窄带选模方法，并结合种子光注入环形光纤谐振腔形成有源环形光纤谐振腔的方法实现激光单纵模锁定。输出光谱非常稳定，而且单纵模工作，柱矢量光纯度高。下面就对本发明的具体技术方案进行简要说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，一种基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、耦合器、种子源、第一光环形器、第二光环形器、单模光纤、刻有光栅的少模光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器；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、隔离器与耦合器的输入端相连，耦合器的反馈端与第一光环形器的第一端口相连，耦合器的另一端作为激光输出，第一光环形器的第二端口与种子源相连，第一光环形器的第三端口与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与少模光纤错位熔接，第一偏振控制器设置在单模光纤上，第二偏振控制器设置在少模光纤上，第二光环形器的第三端口与波分复用器的长波长输入端相连。

本发明的工作原理如下：泵浦源作为环形光纤谐振腔的激励源，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环形光纤谐振腔中，泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、耦合器、种子源、第一光环形器、第二光环形器、单模光纤、刻有光栅的少模光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器这些器件通过光纤耦合的方式首尾相连形成环形光纤谐振腔，波分复用器输出的光依次通过增益光纤（用于提供光放大）、隔离器（用于确保腔内激光单向运行）后输出放大后的光，放大后的光输入至耦合器；耦合器用于将放大后的光分成两路：第一路光和第二路光；第一路光输入至第一光环形器的第一端口，第二路光作为输出；第一路光经第一光环形器的第一端口后由第一光环形器的第二端口输出，种子源输出种子光，种子光由第一光环形器的第二端口、第一光环形器的第三端口、第二光环形器的第一端口传输至第二光环形器的第二端口后注入至单模光纤和刻有光栅的少模光纤，产生满足布拉格条件的反射信号光作为反馈激光经第二光环形器的第二端口、第二光环形器的第三端口输出至波分复用器的长波长输入端，其余的光经过刻有光栅的少模光纤输出。第二光环行器的第二端口的单模尾纤与刻有光栅的少模光纤经过错位熔接连接激发高阶模式。在错位点两端夹持有第一偏振控制器和第二偏振控制器。第一偏振控制器用于改变激光光场进入到少模光纤内的基模的偏振态，通过错位熔接点在少模光纤中激发高阶模，经第二偏振控制器实现对模场的偏振态精确调节，调节第一偏振控制器和第二偏振控制器的光轴，可实现基模向高阶模的完全耦合，以得到呈环状分布、纯度较高的柱矢量光。

所述少模光纤为最多能容纳两个或者四个模式稳定传输的光纤。

刻有光栅的少模光纤的实现方式是通过紫外曝光或飞秒激光刻写的方法向少模光纤的纤芯内引入周期性折射率调制。

所述刻有光栅的少模光纤可实现高阶横模选择和有源环形光纤谐振腔窄带纵模选择。

可调谐激光器作为种子源，设定可调谐激光器的输出种子光的波长与功率，并调节第一偏振控制器与第二偏振控制器，使少模光纤布拉格光栅的透射端输出模场强度呈环形分布的光斑。

可调谐激光器作为种子源，可改变环形光纤谐振腔内的增益，由此可确定最终输出纵模中心波长；通过调节第一偏振控制器可改变进入到少模光纤内的基模的偏振态，通过错位熔接点在少模光纤中激发高阶模，经第二偏振控制器实现对模场的偏振态精确调节，当两个偏振控制器的光轴调节到最佳位置时，可实现基模向高阶模的完全耦合，以得到呈环状分布、纯度较高的柱矢量光。

通过设置种子源输出的波长和功率，结合刻有光栅的少模光纤并调整第一偏振控制器第二偏振控制器，使少模光纤布拉格光栅透射端输出纯度较高、模场呈环状分布的柱矢量光束。

如图2所示为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出光谱，中心波长为1551.4nm，边模抑制比>60dB。

如图3所示为利用红外CCD探测获得的基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出的柱矢量光模斑，柱矢量光模场呈环状分布。

如图4中的(a)所示为红外CCD探测获得的角向偏振柱矢量光模斑、图4中的（b）、图4中的（c）、图4中的（d）、图4中的（e）均为加入偏振片后的TE01偏振光场分量以及图4中的（f）为径向偏振柱矢量光模斑、图4中的（g）、图4中的（h）、图4中的（i）、图4中的（j）为加入偏振片后的TM01偏振光场分量，测试结果显示所获得的径向偏振激光的偏振纯度大于90%。

如图5所示为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器输出光谱稳定性测试，在两个小时内没有发生波长漂移，波长变化小于0.01nm。

如图6所示为基于有源环形腔的单纵模低噪声窄带柱矢量光纤激光器单频频谱测试结果。

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，所应理解的是，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。