一种线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器的制作方法

本发明涉及连续光纤激光器技术领域，具体公开了一种线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器。

背景技术：

柱矢量光束是一种轴对称偏振光束，其相对于传统光束的区别在于其偏振方向在垂直于传播方向的横截面上呈现非均匀分布，其光场分布呈中空的环形分布。鉴于其偏振特性和光场分布，柱矢量光束在激光加工、表面等离子体激发、粒子捕获、粒子加速、显微成像和光存储领域都有着独特的优势和广阔的应用前景。在激光加工方面，径向偏振光的金属切割效率是传统圆偏振光的两倍以上，大大提高了激光加工的速度和效率。在表面等离子体激发方面，径向偏振光束的每一个剖面都可以视为p偏振光束，而在弱波导全反射模型中，只有p偏振分量才能激发表面等离子体，因此径向偏振光束在表面等离子体激发领域有非常强的应用价值。在粒子捕获方面，柱矢量光束在强聚集后具有极强的纵向分量，形成极强的光学梯度力，这十分有利于对于纳米粒子、金属粒子的捕获。

目前产生柱矢量光束主要有两种方式，一种是在固体激光器内通过偏振控制装置来调控光束的偏振态从而产生柱矢量光，但这种方式对于器件的精密程度和作用范围有着严格的要求，并且体积较大，成本高昂。另一种是在光纤激光器内产生柱矢量光束，而目前的柱矢量光纤激光器都需要在腔内或腔外加入偏振控制器来解除lp11模式的简并，才能获得特定模式的柱矢量光束输出，并且极易受到环境干扰，实用性低；本发明是为了解决普通柱矢量模式输出光纤激光器的模式耦合问题，te01模式能够在激光器内稳定存在，输出稳定的te01模式连续激光。

技术实现要素：

解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有柱矢量光纤激光器稳定性差，实用性低的缺陷，基于环形芯光纤和光纤模式过滤器，设计并制作了一种线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器以及输入光栅，所述泵浦源通过尾纤熔接在波分复用器的泵浦端，所述波分复用器的输出端通过尾纤熔接在输入光栅的尾纤上，还包括环形芯光纤、熔接在所述输入光栅另一尾纤端的增益光纤，光纤模式过滤器以及输出光栅，其中所述光纤模式过滤器熔接在增益光纤与输出光栅之间，输出光栅的另一尾纤端作为激光器的输出端；其中在激光器谐振腔内加入光纤模式过滤器，使得te01模式在腔内发生谐振，并通过光栅输出，泵浦源用于提供能量，波分复用器用于将泵浦光与信号光分离和复合，输入端用于透射泵浦光并反射信号光，增益光纤用于提供增益，产生信号光，光纤模式过滤器用于衰减光纤中te01模式以外的模式，输出端用于输出激光。

优选的，所述输入光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率为50％-100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过。

优选的，所述输出光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对lp11模式的反射率为10％-99％。

其中，所述环形芯光纤由依次由内向外分布的低折射率层、导模层以及包层三部分组成，且导模层为环形分布的掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层为普通二氧化硅，包层为纯二氧化硅；通过采用环形芯光纤，降低了lp11模式的简并度，大大减少了lp11内矢量模式间的相互耦合，使得te01模式在激光腔内稳定存在，导模层的折射率与包层二氧化硅折射率之差为0.02-0.04，导模层厚度为1μm-3μm，这一结构可以增大te01模式与其它模式间的有效折射率差，从而减少模式间的耦合。

优选的，所述光纤模式过滤器是通过将上述被环形芯光纤的包层腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层表面镀上50-500nm厚的金属膜层制成的；这个范围内的包层厚度使得金属层可以对包层内的倏逝场产生损耗，包层厚度太小会导致损耗过大，厚度太大会导致损耗过小，金属材料包括但不限于金、银、铜、铝。

优选的，所述增益光纤与上述环形芯光纤的区别在于，所述导模层(8)掺杂了高浓度镱离子。

本发明与现有技术相比的优点为：

(1)本发明的激光器所有器件均通过光纤直接熔接相连，为全光纤结构，结构紧凑稳定。

(2)本发明采用环形芯光纤降低了lp11模式简并度，通过光纤模式过滤器截止te01模式以外的模式，实现了te01模式在激光腔内稳定存在并输出，无须调控偏振态。

附图说明

图1为本发明的一种线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器结构示意图。

图2为环形芯光纤结构示意图。

图3为光纤模式过滤器横截面示意图。

图中的附图标记解释为：1-泵浦源，2-波分复用器，3-输入光栅，4-增益光纤，5-光纤模式选择器，6-输出光栅，7-包层，8-导模层，9-低折射率层，10-金属膜层，11-环形芯光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细描叙。

参照图1，为本发明的一个应用实例——单一柱矢量模式输出的连续光纤激光器。该激光器中，泵浦源1采用中心波长为975nm的半导体激光器，通过尾纤熔接在波分复用器2的泵浦端，波分复用器2采用975nm/1064nm波分复用器，波分复用器2的输出端通过尾纤熔接在输入光栅3的尾纤上，输入光栅3采用刻制在环形芯光纤11上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率接近100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过，且输入光栅3的另一尾纤端通过熔接的方式与增益光纤4的其中一个尾纤端相连。

环形芯光纤11的结构参照图2，由依次由内向外分布的低折射率层9、导模层8以及包层7三部分组成，其中导模层8为环形分布的掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层9为普通二氧化硅。

增益光纤4的结构参照图2，其与环形芯光纤11的区别在于，导模层8掺杂了高浓度镱离子，可以吸收泵浦光，产生信号光。

光纤模式过滤器5的结构参照图3，光纤模式过滤器5是通过将环形芯光纤11的包层7腐蚀至1μm厚，再在包层7表面镀上200nm厚的金属膜层10制成的，该金属膜层10具体采用铝膜层。

光纤模式过滤器5熔接在增益光纤4与输出光栅6之间，输出光栅6采用刻制在环形芯光纤11上的光栅，其对lp11模式的反射率为80％；最后该激光器通过输出光栅6后端的尾纤输出激光。

通过计算机模拟，所设计的光纤模式过滤器5对于te01模式的损耗小于0.03db/cm，而对于其它模式的损耗大于15db/cm，当泵浦光进入增益光纤4后会产生不同模式的信号光，这些不同模式的信号光在通过光纤模式过滤器5后会经历不同程度的损耗，其中te01模式的损耗最小，在模式竞争中成为优势模，光束在激光腔内不断振荡最终只有te01模式存在，并通过输出光栅6的尾纤输出te01模式的连续激光。

本发明的优势在于采用环形芯光纤11降低了lp11模式的简并度，使得te01模式在激光腔内稳定存在；激光器谐振腔内加入光纤模式过滤器5截止te01模式以外的模式，使得te01模式在腔内发生谐振，得到了稳定的单一柱矢量模式的连续激光输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。