本发明涉及一种基于光纤熔融模式转换器的角向/径向偏振可切换柱矢量光束主动调Q 光纤激光器，属于光纤激光器技术领域。
背景技术：
柱矢量光束(Cylindrical Vector Beam，CVB)激光由于在振幅和偏振上独特的对称性，成为空间调制结构光束的重要一支，在高分辨率光学测试、表面等离子体激发、粒子物理、材料加工、光镊等研究领域中具有潜在的应用前景。目前，获得柱矢量光束主要通过空间光调制器、纳米结构全息图和等离子体等空间元件。相比于全光纤方法，这些器件结构紧凑度不高、插损相对较大。近来，光纤激光器因其全光纤、高效率、波长灵活等特性，成为光纤通信和光纤传感应用备受青睐的光源。为了实现光纤激光器的柱矢量光束的输出，人们提出在光纤激光器谐振腔内采用单模光纤—二模光纤错位耦合结合少模光栅横向选模的方法，实现基模的抑制和高阶模选模输出。这种全光纤方法的最大问题在于光纤错位耦合方法将引入较大的插入损耗，降低了光纤激光器的稳定性和效率。因此，仍然需要研究并实现一种光纤激光器的损耗低、效率高的全光纤柱矢量光束选模方法。此外，相比于连续光运转光纤激光器，脉冲光纤激光器在时域特性方面灵活性更高，尤其适用于对于激光器输出具有时变特性要求的光纤通信和光纤传感系统。而目前，结合柱矢量光束与脉冲运行的光纤激光器主要包括被动调Q、被动锁模等方法，其峰值功率和脉冲可调谐性能仍然受到限制。
技术实现要素：
本发明针对现有技术在实现脉冲CVB激光存在损耗大、效率低、稳定性不高、峰值功率和脉冲可调谐性能受到限制等缺点，提出了一种基于光纤熔融模式转换器的角向/径向偏振可切换柱矢量光束主动调Q光纤激光器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于光纤熔融模式转换器的角向/径向偏振可切换柱矢量光束主动调Q光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一光纤偏振控制器、光纤熔融模式转换器、第二光纤偏振控制器和光隔离器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述泵浦源经波分复用器与增益光纤的输入端相连，增益光纤的输出端依次连接第一光纤偏振控制器、光纤熔融模式转换器和光隔离器，所述光纤熔融模式转换器的少模光纤输出端口连接有第二光纤偏振控制器。
优选地，在所述增益光纤和第一光纤偏振控制器之间设置有主动调Q光开关，所述主动调Q光开关的输入端与增益光纤的输出端连接，主动调Q光开关的输输出端与第一光纤偏振控制器的输入端连接。
优选地，所述主动调Q光开关为电光或声光调制器。
优选地，所述泵浦源为半导体激光器。
优选地，所述光纤熔融模式转换器采用少模光纤和单模光纤熔融耦合的方式制备，制备得到的光纤熔融模式转换器实现光纤激光器谐振腔内横向模式转换和模式分离，实现少模光纤中的高阶模式与单模光纤中的基模的相位匹配和模式转换，获得高纯度的高阶模式以形成振幅和偏振对称的柱矢量激光光束。
优选地，将泵浦源波长附近的宽带激光源从光纤熔融模式转换器的单模光纤端口输入，在少模光纤端口通过电荷耦合探测器测得相应的光斑图像。
优选地，所述少模光纤输出端的LP11高阶模具有较高的模式纯度。
优选地，同时调整光纤激光器谐振腔内的第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器，实现柱矢量激光光束在径向偏振态和角向偏振态之间进行切换。
优选地，所述增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤对应于1μm波段。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明脉冲光纤激光器通过主动调Q技术控制谐振腔的损耗以及腔内的激光振荡的建立，实现激光脉宽压缩，相比于其他脉冲调制技术，具有更高的脉冲运转灵活性，其脉冲输出能量、重复频率、脉宽均可以灵活调谐。
本发明脉冲光纤激光器采用光纤熔融模式转换器作为横向模式选择器和模式分离器，以全光纤的方式获得具有高纯度柱矢量激光输出，降低了损耗，提高了激光器输出效率以及稳定性。
本发明获得的角向/径向偏振可切换柱矢量光束是通过调整光纤激光器谐振腔内的光纤偏振控制器，能够实现径向和角向偏振激光光输出的灵活切换，并且模式输出纯度较高。
本发明光纤激光器采用全光纤器件搭建并实现稳定脉冲输出，克服被动调Q方法输出的激光脉冲稳定性不强、参数抖动幅度较大等不足，获得模式纯度高、峰值功率高、稳定性高，并且脉冲能量、脉宽和重复频率灵活可控等特性。
附图说明
图1为本发明的脉冲光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明的光纤熔融模式转换器的结构示意图。
图3为本发明实验获得的不同激光波长在光纤熔融模式转换器二模光纤(Two mode fiber，TMF)输出端利用CCD测试得到的LP11模斑图。
图4为实验测得的本发明在TTL信号驱动光开关下获得的稳定的调Q激光脉冲序列图 (上)以及单个无分裂高斯脉冲时域图(下)。
图5为本发明光谱仪测得的调Q激光光谱图。
图6为当光开关重复频率控制在30Hz时，激光器输出脉冲宽度和峰值功率随泵浦功率增加的变化规律图。
图7为当泵浦功率控制在150mW时，激光器输出脉冲宽度和峰值功率随重复频率增加的变化规律图。
图8为本发明的柱矢量激光输出通过线性偏振片后，利用CCD测试获得的径向和角向偏振光的模斑图。
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光纤熔融模式转换器的角向/径向偏振可切换柱矢量光束主动调 Q光纤激光器，如图1所示，该光纤激光器包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、第一光纤偏振控制器4、光纤熔融模式转换器5、第二光纤偏振控制器6和光隔离器7，各个器件之间通过光纤耦合的方式依次相互连接构成一个光纤谐振腔，所述泵浦源为半导体激光器，所述增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤对应于1μm波段。所述泵浦源经波分复用器与增益光纤的输入端相连，增益光纤的输出端依次连接第一光纤偏振控制器、光纤熔融模式转换器和光隔离器，所述光纤熔融模式转换器的少模光纤输出端口连接有第二光纤偏振控制器。
如图1所示，在所述增益光纤和第一光纤偏振控制器之间设置有主动调Q光开关8，控制谐振腔的损耗以及腔内的激光振荡的建立，获得窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。所述主动调Q光开关的输入端与增益光纤的输出端连接，主动调Q光开关的输输出端与第一光纤偏振控制器的输入端连接，所述主动调Q光开关为电光或声光调制器。
所述光纤熔融模式转换器采用少模光纤和单模光纤熔融耦合的方式制备，制备得到的光纤熔融模式转换器实现光纤激光器谐振腔内横向模式转换和模式分离，实现少模光纤中的高阶模式与单模光纤中的基模的相位匹配和模式转换，获得高纯度的高阶模式以形成振幅和偏振对称的柱矢量激光光束。柱矢量光束在振幅和偏振上具有独特的对称性，可作为空间调制结构光束，获得的主动调Q激光脉冲具有脉宽窄、峰值功率高、能量高、纯度高、稳定性高，并且脉冲能量、脉宽和重复频率灵活可控等特性。
将泵浦源波长附近的宽带激光源从光纤熔融模式转换器的单模光纤端口输入，在少模光纤端口通过电荷耦合探测器测得相应的光斑图像。所述少模光纤输出端的LP11高阶模具有较高的模式纯度，通过调整光纤激光器谐振腔内的第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器，实现柱矢量激光光束在径向偏振态和角向偏振态之间进行切换。偏振控制器通过对光纤施加应力的方式，改变光纤内部折射率分布，引起双折射效应，从而改变不同偏振态的光的损耗，例如：为得到径向偏振态激光输出，需要通过PC抑制TE01，HE21模式，保留 TM01模式，从而实现径向偏振态输出。具体地，谐振腔内本身有不同偏振方向(径向和角向偏振)的激光束，通过施加应力改变光纤内部折射率分布，引起双折射效应，改变不同偏振态模式(即径向和角向偏振态)的光损耗，来实现腔内选模，选出腔内(即光纤内)不同的偏振模式输出。压力可以通过压电陶瓷施加，PC控制施加压力的时间和大小，另外，压力施加在光纤的径向。
如图2所示，本发明的工作波段为1.0μm附近光纤熔融模式转换器，由少模光纤TMF 和单模光纤SMF经熔融耦合构成，少模光纤TMF(Two mode fiber，TMF)。为实现高效率的模式转换，将少模光纤SMF和单模光纤TMF熔融加热拉锥至最佳光纤直径，将TMF 中的LP11模式与SMF中的LP01基模相匹配，实现模式转换。将波长为1064nm附近的宽带激光源从光纤熔融模式转换器的单模光纤SMF端口输入，在少模光纤TMF端口通过 CCD测试光纤熔融模式转换器的工作特性以及LP11模场特性。
如图3所示为实验测得的光纤熔融模式转换器在1.0μm附近大约30nm宽的波长范围内能够有效实现模式转换与模式分离，并且其在少模光纤TMF端口测量到的LP11模式的纯度在95％以上，光纤熔融模式转换器的总插入损耗小于0.5dB。
图4为泵浦功率为150mW和光开关重复频率为30Hz测试得到的调Q激光脉冲序列图 (上)以及单个无分裂高斯脉冲时域图(下)。
图5为当泵浦功率为150mW，光开关重复频率为30Hz时测试获得的调Q激光光谱，激光输出中心波长为1042.5nm，3dB带宽为3.6nm，图5中横坐标为波长，纵坐标为光强。
图6为脉冲宽度和峰值功率与泵浦功率在重复频率为30Hz时的关系图。在Q开关工作状态下，当重复频率在30Hz～27kHz之间调节时，可获得稳定的激光脉冲输出。从图6中可以看出，随着泵浦功率的增加，脉冲的峰值功率逐渐增大，并逐渐趋于稳定。当泵浦功率由70mW提高到150mW时，激光脉宽由234ns减小到68ns，峰值功率由3.3W增加到 50.1W，同时当泵浦功率等于或者高于150mW时脉宽变窄，并且变化趋势趋于平稳，这是由于在增益介质中泵浦功率吸收增加时，Yb3+高能级积累的反相粒子数目逐渐增加，直至饱和状态，从而导致脉冲峰值功率逐渐增大，脉冲宽度逐渐减小，在150mW左右达到饱和并趋于稳定，激光脉冲宽度最短约为68ns。
图7为当泵浦功率为150mW时，激光脉冲宽度和峰值功率与光开关重复频率的关系图。从图7中可以看出，随着重复频率的增加，脉冲峰值功率逐渐减小，脉冲宽度逐渐增大，将重复频率从30Hz提高至27kHz，激光脉冲宽度从68ns单调增加到1.2μs，脉冲峰值功率从50.1W下降到0.3W。其中，当重复频率在30Hz至1kHz内调节时，随着重复频率的增加，激光脉冲峰值功率下降迅速，进一步提高重复频率至1kHz以上，激光脉冲峰值功率呈弱下降趋势，在6kHz左右脉冲峰值功率达到饱和状态，约为1.3W。当光开光重复频率为30Hz时，掺镱光纤的储能趋于饱和，输出脉冲的峰值功率最大，脉冲宽度最短，达到调Q的最佳工作状态。当重复频率逐渐增大时，工作物质的能量储存时间减少，导致能量储存量减少，脉冲宽度增加，峰值功率下降。
图8为泵浦功率为150mW、重复频率为1kHz的调Q柱矢量光脉冲的甜甜圈型模场强度分布图。在实验当中，同时调节第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器使得柱矢量激光光束可以在径向偏振态和角向偏振态之间进行切换。图8(a)为利用CCD测试获得的径向偏振光(TE01模)模斑图，测得其纯度为93.7％；图8(f)为角向偏振光(TM01模)模斑图，测得其纯度为93.6％。图8(b)～(e)和图8(g)～(j)分别为径向和角向偏振柱矢量光经过具有不同偏振角度的线性偏振器后所得到的模斑图，其中透射光轴方向由白色箭头表示。
该光纤激光器利用电光或者声光调制器作为光开关来实现主动调Q，通过光开关控制谐振腔的损耗以及腔内的激光振荡的建立，获得窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。采用少模光纤和单模光纤熔融耦合的方法制备光纤熔融模式转换器作为光纤激光器谐振腔内横向模式转换器和模式分离器，实现少模光纤中高阶模式与单模光纤中基模的相位匹配和模式转换，获得高纯度的高阶模式以形成柱矢量激光光束，通过调整光纤激光器谐振腔内的光纤偏振控制器，实现径向和角向偏振光转换。
本发明结合光纤熔融模式转换器和主动调Q技术，以全光纤方式实现了脉宽窄、峰值功率高、能量高、纯度高、输出稳定的脉冲柱矢量光束输出，并且脉冲能量、脉宽和重复频率灵活可控，为非线性光学、光学精密加工、光镊等提供了一种有效光源。
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。