一种环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器的制作方法

本发明涉及脉冲光纤激光器技术领域，具体公开了一种环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器。

背景技术：

te01模式光束属于柱矢量光束的一种，其可以通过波片转换至其它的柱矢量光束(te01模式，he21模式)，柱矢量光束具有中心强度为零的环形场强分布，其偏振具有轴对称性，得益于这两个独特的性质，柱矢量光束在激光加工、粒子操控、显微成像和光存储领域有着重要的应用。柱矢量光束在强聚焦条件下，相对于传统圆偏振光束具有更小的聚焦光斑和更强的纵向分量。柱矢量光束在同等功率下，其金属切割效率是传统圆偏振激光的两倍以上，并且具有更大的纵深比，提高了激光加工的速度和质量。柱矢量光束由于其中空的场强分布，对于纳米粒子和散射性强的金属粒子具有更强的束缚作用，有利于实现对纳米粒子和金属粒子的捕捉和操控。脉冲激光相对于连续激光而言，其峰值功率高，持续时间短，更有利于实际应用，而环形腔结构的激光器可以避免线型腔结构固有的空间烧孔效应，并且结构更简单，效率更高，可以得到更窄脉宽的脉冲激光输出。

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脉冲光纤激光器无法输出稳定的柱矢量脉冲激光的缺陷，基于环形芯光纤和光纤模式过滤器，设计了一种可以稳定输出柱矢量脉冲激光的环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，包括泵浦源和波分模分复用器，所述泵浦源通过尾纤熔接在波分模分复用器的泵浦端，其特征在于，还包括环形芯光纤、熔接在波分模分复用器的输出尾纤端的增益光纤、光纤模式过滤器、可饱和吸收体、隔离器以及耦合器，其中所述光纤模式过滤器熔接在增益光纤的另一尾纤端与可饱和吸收体的其中一个尾纤端之间，所述隔离器熔接在可饱和吸收体的另一尾纤端与耦合器的其中一个尾纤端之间，所述耦合器的另一尾纤端作为激光器的输出端。

通过采用环形芯光纤，抑制了te01模式与lp11其它模式的相互耦合，使得te01模式能够在激光腔内稳定存在；采用了环形纤芯结构的光纤，该光纤可支持lp11模式传输，并且te01模式，he21模式和tm01模式之间的有效折射率差大于1×10^-4。

激光器谐振腔内加入了光纤模式过滤器，使得te01模式在模式竞争中成为优势模，并通过可饱和吸收体产生te01模式的脉冲激光，最后通过耦合器输出。泵浦源用于提供能量，波分模分复用器用于将泵浦光与信号光分离和复合，并实现lp01模式耦合到te01模式，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，可饱和吸收体用于产生脉冲激光，隔离器用于隔离反向传输的信号光，耦合器用于输出部分激光。

优选的，所述环形芯光纤的纤芯部分是环形的导模层，导模层内部为低折射率层，导模层外部为包层，其中，所述导模层通过在二氧化硅中掺锗制作而成，所述低折射率层材料为空气或普通二氧化硅，所述包层为纯二氧化硅；所述导模层的折射率与包层折射率之差为0.02-0.04，且所述导模层厚度为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，所述波分模分复用器通过将普通单模光纤与环形芯光纤熔融拉锥或侧边抛磨熔接制作而成；可以将泵浦光与信号光合成一束，并将lp01模式的泵浦光耦合到te01模式的泵浦光。

优选的，所述增益光纤为在环形芯光纤的导模层中掺杂稀土元素制作而成。

优选的，所述光纤模式过滤器是通过将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，所述可饱和吸收体是先将环形芯光纤侧面抛磨或腐蚀，使得环形芯光纤的包层厚度减少至0-3μm，然后将可饱和吸收体薄膜覆盖在环形芯光纤抛磨面而制成。

其中，可饱和吸收体薄膜优选为石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硫化钨以及黑磷中的一种。

优选的，所述隔离器的尾纤是环形芯光纤。

优选的，所述耦合器是通过两根环形芯光纤熔融拉锥或侧边抛磨后熔接制作而成，输出比为1％-90％。

本发明与现有技术相比的优点为：

(1)本发明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，无须调控偏振态，并通过集成在光纤表面的可饱和吸收体产生脉冲激光，在环腔结构的光纤激光器中实现了稳定的单一柱矢量模式脉冲激光输出。

附图说明

图1为本发明的一种环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器结构示意图。

图2为波分模分复用器结构示意图。

图3为环形芯光纤横截面结构示意图。

图4为光纤模式滤波器横截面结构示意图。

图5为可饱和吸收体结构示意图。

图中的附图标记解释为：1-泵浦源，2-波分模分复用器，3-增益光纤，4-光纤模式过滤器，5-可饱和吸收体，6-隔离器，7-耦合器，8-单模光纤，9-环形芯光纤，10-包层，11-导模层，12-低折射率层，13-金属层，14-侧边抛磨后的环形芯光纤，15-可饱和吸收体薄膜。

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——环腔单一柱矢量模式输出的脉冲光纤激光器。该激光器中，泵浦源1采用中心波长为975nm的半导体激光器，波分模分复用器2采用hi1060单模光纤8与环形芯光纤9熔融拉锥制作而成，其可以实现980nm/1064nm波长的复用，并且将hi1060光纤中的中心波长为980nm的lp01模式耦合至环形芯光纤9中的te01模式。泵浦源1的尾纤与波分模分复用器2的泵浦端的尾纤相熔接。

环形芯光纤9的结构参照图3，其导模层11为环形分布掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层12为普通二氧化硅，包层为纯二氧化硅。

增益光纤3的结构参照图3，为掺镱的环形芯光纤9，可以吸收泵浦光，产生信号光；增益光纤3的尾纤与波分模分复用器2的尾纤通过熔接的方式相连。

光纤模式过滤器4的结构参照图4，是通过将环形芯光纤9的包层腐蚀至11μm厚，再在包层表面镀上200nm厚的铝膜制作而成；光纤模式过滤器4的尾纤与增益光纤3的尾纤通过熔接的方式相连。

可饱和吸收体5的结构参照图5，是先将环形芯光纤9侧面抛磨，使得光纤包层厚度减少至1μm，然后将碳纳米管覆盖在光纤抛磨后的表面制作而成，其尾纤与光纤过滤器4的尾纤通过熔接的方式相连。

隔离器6的尾纤为环形芯光纤9，只允许正向传输的光通过，对反向传输的光损耗很高；其尾纤与可饱和吸收体5的尾纤通过熔接的方式相连。

耦合器7是通过将两根环形芯光纤9熔融拉制制作而成，输出耦合比为20％；其尾纤与隔离器6的尾纤通过熔接的方式相连，耦合器7的另一尾纤端作为激光器的输出端。

所设计的光纤模式过滤器4对于te01模式的损耗最小，并且与其它模式的损耗差大于15db/cm。当泵浦源1产生的980nm泵浦光通过波分模分复用器2后会耦合至te01模式，进入增益光纤3后会产生te01模式的1064nm波段的信号光，光纤模式过滤器4会过滤掉非te01模式的光束，使得te01模式在激光腔内谐振，并通过可饱和吸收体5产生脉冲激光，最终从耦合器7的输出端口输出。

本发明的优势在于采用环形芯光纤9，抑制了te01模式与lp11其它模式的相互耦合，使得te01模式能够在激光腔内稳定存在。并采用了环腔结构，避免了线型腔的空间烧孔效应，在环腔结构的激光器中实现了高稳定性的te01模式脉冲激光输出。

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。