一种基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器、光通信技术领域，特别涉及一种基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器。

背景技术

涡旋光束是具有螺旋型相位分布，中心强度为零的环状空心光束，其光场分布中含有相位因子exp(ilφ)，光束中每个光子携带l的轨道角动量，l称为拓扑荷数。不同拓扑荷数l的轨道角动量模式是正交的，是除传统平面波的频率、幅度、相位和偏振态四个维度以外的一个新维度，因此，将涡旋光束用于光通信领域，将极大的提高通信系统的容量和频谱效率。此外，由于涡旋光束独特的空间强度和相位分布，在光纤传感、量子和纳米光学、光学操控、超分辨率成像和激光材料处理等领域也具有广泛的应用前景，引起了人们越来越多的兴趣。

在这些应用的推动下，研究者们提出了许多方法以获得涡旋光激光。目前，涡旋光激光的产生方式可以分为两类：第一类是基于腔外相位光学元件进行模式转换的激光器，其结构主要是由一台成熟的非涡旋光激光器和用于轨道角动量模式转化的腔外相位光学元件组成，其中常见的相位元件包括：螺旋相位板、全息相位板、空间光调制器等。该类激光器往往受限于相位光学元件本身的材料特性，较难实现与激光谐振腔的一体化设计、转换效率低、只能对单一波长进行转换且高能量激光容易对转换元件造成损坏。另一类则是基于对激光横模选择的直接振荡产生涡旋光的涡旋激光器（专利申请号：201510596176.2），其主要实现形式有环形泵浦、点缺陷反射镜或在谐振腔内插入相位元件等。这类激光器都是包含体元件的固体激光器，激光系统复杂，且腔内损耗大，激光阈值高。

与体元件固体激光器相比，全光纤激光器具有成本低、灵活性好、稳定性好、体积小、效率高等优点，但目前全光纤涡旋光激光器的报道非常少。已公开一种基于模式转换耦合的光学漩涡光纤激光器（专利申请号：201610360609.9），其采用全光纤结构实现涡旋激光输出，但在腔内直接谐振的仍为光纤中的基横模，并不是轨道角动量模式，通过插入激光器腔内的单模光纤-少模光纤耦合器作为光学漩涡产生和输出器件。由于该光纤耦合器产生的模式为简并的线偏振（lp）模式，仍需要额外施加应力以及调整偏振态来实现涡旋光束的产生，因此该全光纤激光器产生的涡旋光束完全受限于采用的单模光纤-少模光纤耦合器，光束质量差，模式纯度低。此外此发明中采用的少模光纤并不能支持轨道角动量模式稳定传输，导致产生的涡旋光束稳定性差。因此，实现一种基于轨道角动量模式直接谐振的全光纤激光器方案以获得高纯度、高稳定性的涡旋激光具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器，基于布里渊非线性效应，以支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤为增益介质，实现了腔内轨道角动量模式直接谐振放大，直接在激光器输出端获得高模式纯度的涡旋激光。另外，该激光器还具有结构紧凑、调节简便、造价低廉、稳定性高等方面的优点。

本发明的目的至少通过以下的技术方案之一实现。

一种基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器，包括窄线宽泵浦激光器、光放大器、轨道角动量模式产生器、第一偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第二偏振控制器和涡旋光纤；

其中，所述轨道角动量模式产生器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述光纤耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；所述的窄线宽泵浦激光器连接至光放大器；所述光放大器连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经第一偏振控制器连接至光纤环形器的第一端口；所述光纤环形器的第二端口连接至光纤耦合器的第一端口；所述光纤耦合器的第二端口经第二偏振控制器和涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口以此构成环形腔；所述光纤耦合器的第三端口输出激光。

优选的，所述的窄线宽泵浦激光器，选用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1mhz，单纵模运转。

优选的，所述的光放大器，选用高增益掺稀土离子光纤放大器（如掺铒光纤放大器）或相应波段半导体光放大器。

优选的，所述的轨道角动量模式产生器，为单模光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的2×2的模式选择耦合器，可以实现单模光纤中的基横模和涡旋光纤中特定拓扑荷数的轨道角动量模式间的定向选择耦合，第一和第四端口为单模光纤，第二和第三端口为涡旋光纤。

优选的，所述的光纤环形器，为涡旋光纤环形器，三个端口的尾纤为涡旋光纤。

优选的，所述的光纤耦合器为腔内模式耦合器件，为涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，可以实现一根涡旋光纤中轨道角动量模式和另一根涡旋光纤中同一拓扑荷数的轨道角动量模式间的定向耦合，四个端口的尾纤为涡旋光纤。

优选的，所述的涡旋光纤为支持轨道角动量模式稳定传输的光纤，支持的轨道角动量模式数大于2，长度大于20m。

本发明的涡旋光激光器为环形腔结构，环形腔内包括一个光纤环形器和一个光纤耦合器，整个环形腔内连接光纤为涡旋光纤。本发明利用涡旋光纤中的受激布里渊散射效应，实现轨道角动量模式在环形腔内谐振放大，在室温下产生稳定高纯度的涡旋激光。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用基于涡旋光纤的轨道角动量模式产生器作为激光器谐振腔外模式转换器件，产生的轨道角动量模式纯度高，损耗小，效率高。

2、本发明基于布里渊非线性增益，实现轨道角动量模式腔内直接谐振放大，获得的涡旋激光模式纯度高。

3、本发明利用涡旋光纤作为增益介质，可以确保轨道角动量模式在谐振过程中保持稳定。

4、本发明采用全光纤结构，结构简单，成本低，易于光纤系统集成，输出激光稳定性好，线宽窄，提高了涡旋激光的实用性和可靠性。

附图说明

图1为实施例基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器的示意图。

图2为实施例中激光器的功率曲线图。

图3为输出激光远场光强分布图。

图中：1-窄线宽泵浦激光器；2-光放大器；3-轨道角动量模式产生器；4-第一偏振控制器；5-光纤环形器；6-光纤耦合器；7-第二偏振控制器；8-涡旋光纤。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实例的一种基于轨道角动量模式谐振的全光纤涡旋光激光器，包括窄线宽泵浦激光器1、光放大器2、轨道角动量模式产生器3、第一偏振控制器4、光纤环形器5、光纤耦合器6、第二偏振控制器7和涡旋光纤8。

在本实施例中，所述窄线宽泵浦激光器1，选用c波段功率可调谐的窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1mhz，尾纤为单模光纤。

所述光放大器2，选用高增益掺铒光纤放大器或1550nm波段半导体光放大器，尾纤为单模光纤。

所述轨道角动量模式产生器3，为单模光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的2×2的模式选择耦合器，可以实现单模光纤中的基横模和涡旋光纤中特定拓扑荷数的轨道角动量模式间的定向选择耦合，第一端口301和第四端口304为单模光纤，第二端口302和第三端口303为涡旋光纤。

所述光纤环形器5，为涡旋光纤环形器，第一端口501、第二端口502和第三端口503的尾纤均为涡旋光纤。

所述光纤耦合器6，为涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，可以实现涡旋光纤中轨道角动量模式和涡旋光纤中同一拓扑荷数的轨道角动量模式间的定向耦合，第一端口601和第三端口603的分光比为90:10，第二端口602和第四端口604的分光比也为90:10，四个端口601、602、603和604的尾纤均为涡旋光纤。

所述涡旋光纤8为支持1550nm波段的轨道角动量模式稳定传输的光纤，支持的拓扑荷数为+1和-1的轨道角动量模式，长度为600m。

在本实施例中，窄线宽泵浦激光器1输出的激光由光放大器2进行功率放大，放大后的高功率泵浦光注入轨道角动量模式产生器3的第一端口301，经轨道角动量模式产生器3后，泵浦光由第一端口301中单模光纤的基横模转变为轨道角动量模式产生器3的第二端口302中涡旋光纤的特定拓扑荷数（+1或-1）的轨道角动量模式，产生的轨道角动量模式泵浦光经第一偏振控制器4后注入光纤环形器5的第一端口501，再自光纤环形器5的第二端口502注入光纤耦合器6的第一端口601，经光纤耦合器6后，90%的轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器7后在涡旋光纤8中传输，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的轨道角动量模式布里渊斯托克斯光。

当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，涡旋光纤8中产生的布里渊斯托克斯光依次经光纤耦合器6的第一端口601、光纤环形器5的第二端口502、光纤环形器5的第三端口503再次进入涡旋光纤8中，在谐振腔内形成振荡，即产生一个比泵浦光频率下移一阶布里渊斯托克斯激光，此布里渊斯托克斯激光经光纤耦合器6的第三端口603输出，即获得涡旋激光。该激光器的功率曲线如图2所示，产生的涡旋激光的远场光强分布如图3所示。

轨道角动量模式产生器3的第二端口302和光纤环形器5的第一端口501间的第一偏振控制器4以及涡旋光纤8上的第二偏振控制器7共同控制泵浦光和布里渊泵浦光的偏振态，以获得最大的布里渊非线性增益。由于在环形腔中的连接光纤均为涡旋光纤，确保了轨道角动量模式泵浦光和产生的反向轨道角动量模式斯托克斯光的稳定传输，基于受激布里渊散射效应，实现了腔内轨道角动量模式模式直接谐振放大，从而获得高模式纯度的涡旋激光。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。