一种圆柱矢量光场产生装置及其产生方法与流程

本发明涉及光纤激光器以及非线性光学的，特别是指一种基于对称双模光纤耦合器和高稳定性可保护吸收体锁模激光器的圆柱矢量光场产生装置及产生方法。

背景技术：

1、自梅曼博士制造出第一台红宝石激光器以来，激光就在对人类文明的发展和进步产生着极大的作用。激光与自然光相比，具有其独特的四个优点：单色性好、方向性好、相干性好以及亮度较高。而根据其运行方式，大致可以将激光器分为连续激光器和脉冲激光器；其中，脉冲激光器因其所产生激光自身峰值功率高，脉冲能量大，持续时间短等特点，在零件加工、激光测距、医疗诊断、光纤通信等技术领域均有着十分广阔的应用前景。使激光器输出脉冲的方式有调q和锁模技术。调q技术因为受到腔长和调q器件的限制，无法进一步将脉宽压窄；而锁模技术则有效地规避了调q技术的缺陷，这项技术从两方面进行超短脉冲的产生：各振荡纵模初相位锁定；各振荡纵模频率相隔相等且固定为（为腔长）。进一步，根据锁模工作原理，将实现锁模的方式分为：主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、自锁模以及碰撞锁模等方式。

2、圆柱矢量光束（cvb）以其在振幅场和极化中的对称特性，在分子成像、光学传感以及材料加工等方面有着较为宽广的应用前景。传统产生cvb的技术主要是使用空间极化选择组件，具体包括双锥棱镜、双折射组件、空间光调制器(slms)、亚波长光栅等。但传统方法组件构成较为复杂笨重，无法兼容基于光纤的系统；故基于全光纤的cvb产生方法应运而生，但设计出一种既能满足高阶模式激发又能满足分裂要求的简单光纤元件仍是一个不小的挑战。

3、近期，有学者提出：如果选择适当的拉长，对称融合光纤耦合器可以提供各种光学功能，其中包括模式滤波器、模式抽头耦合器和和和和模式的功率分配器。又有学者提出了一种模式转换（主要指基模()和高阶模()之间的模式转换）是在多模锥形光纤中进行的谐振器。正是有了这些研究工作的铺垫，本发明中涉及到的技术细节才能被顺利攻破，这些研究工作对本发明的产生具有极大启发意义。

技术实现思路

1、基于以上所提到的研究工作，针对现存的挑战，本发明提供一种圆柱矢量光场产生装置，利用对称双模光纤耦合器以及稳定的被动锁模激光器产生稳定且纯度较高的cvb光束。

2、为了达成上述目的，本发明的采用的技术方案是：

3、一种圆柱矢量光场产生装置，包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、可饱和吸收体、对称双模光纤耦合器、第二偏振控制器、ccd相机及单模光纤耦合器，泵浦源的输出端口连接波分复用器的一个输入端口，波分复用器的输出端口连接增益光纤的输入端口，增益光纤的输出端口连接第一偏振控制器的输入端口，第一偏振控制器的输出端口连接偏振相关隔离器的输入端口，偏振相关隔离器的输出端口连接可饱和吸收体的输入端口，可饱和吸收体的输出端口连接对称双模光纤耦合器的输入端口，对称双模光纤耦合器具有两个输出端口，其中一个输出端口连接第二偏振控制器的输入端，另一个输出端口连接单模光纤耦合器的输入端口，单模光纤耦合器的输出端口连接波分复用器的另一个输入端口，第二偏振控制器的输出端连接ccd相机，其中，可饱和吸收体为非线性材料coof，对称双模光纤耦合器具有高阶模式激励和耦合输出功能。

4、进一步地，所述泵浦源采用激光二极管，输出激光为，采用波分复用器，将泵浦激光耦合进增益光纤。

5、进一步地，所述增益光纤为掺铒光纤，色散参数，长度为40cm，传输至增益光纤的激光，通过增益光纤增益起振作用后入射至与其相连的第一偏振控制器中。

6、进一步地，所述第一偏振控制器的一端连接在增益光纤的一侧，第一偏振控制器与可饱和吸收体相结合调整光腔内锁模状态，第一偏振控制器及可饱和吸收体分别连接在偏振相关隔离器两侧，起到控制偏振态的作用。

7、进一步地，非线性材料coof的可饱和吸收体的制备方法为：在高温环境下，以四水合氟化钴作为原材料，通过热膨胀、剥离以及热处理操作，合成了二维的氟氧化钴，随后将此种材料以乙醇溶液作为载体转移至具有适当锥度光纤的锥形区域，并进行固定，形成非线性材料coof的可饱和吸收体。

8、进一步地，所述对称双模光纤耦合器由一对相同的双模光纤被拉伸、融合在一起，形成了一个共同的锥形腰部，使光在传播时完成光纤间的耦合，插入空腔的对称双模光纤的色散参数为；对称双模光纤耦合器的锥度直径应满足：。

9、进一步地，光腔中除对称双模光纤外还具有单模光纤，单模光纤的色散参数为

10、。

11、进一步地，所述单模光纤耦合器具有两路激光输出端口，一路连接波分复用器构成环形腔结构，另一路作为激光的直接输出，直接输出的激光刻与osa或osc模块相连，实现对输出光束光谱、脉冲序列及自相关特性的监控。

12、进一步地，所述对称双模光纤耦合器的拉伸过程以ccd相机实时观测到的结果为参考，当ccd相机检测到对称双模光纤耦合器的输出端口中出现合适的模式所对应的光束轮廓时，拉伸过程停止。

13、本发明的另一目的在于提供一种圆柱矢量光场产生方法，利用对称双模光纤耦合器以及稳定的被动锁模激光器产生稳定且纯度较高的cvb光束。

14、为了达成上述目的，本发明的采用的技术方案是：

15、一种使用圆柱矢量光场产生装置的圆柱矢量光场发生方法，其特征在于：泵浦源发出泵浦激光经过波分复用器的输入端口后，经过增益光纤进行增益起振作用后入射至与增益光纤连接的第一偏振控制器内进行激光偏振，再经过偏振相关隔离器后与非线性材料coof的可饱和吸收体调整腔内功率及偏振，使激光器达到锁模状态，之后经过具有高阶模式激励和耦合输出功能的对称双模光纤耦合器进行输出后经过单模光纤耦合器，最后回到波分复用器的另一个输入端口，以此顺序构成完整光路。

16、采用上述方案后，本发明主要使用了被动锁模的方式，与传统基于被动锁模的激光器所不同：本发明利用第一偏振控制器，以及基于非线性材料coof的可饱和吸收体来调整光腔内锁模状态，产生了较传统锁模激光器来说更为稳定和优质的超短脉冲激光，利用具有适当锥度直径的对称双模光纤耦合器，其具有高阶模态激励和分裂的作用，故可以在稳定的锁模激光器中产生圆柱矢量光束，本发明基于对称双模光纤耦合器和稳定的被动锁模激光器来产生圆柱矢量光束，以较为简单的制作工艺来产生具有较高纯度的圆柱矢量光场，这种锁模圆柱矢量光场的光纤激光器在光通信、光捕获、材料加工等方面具有较大的应用前景。

技术特征：

1.一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于，包括：泵浦源（1）、波分复用器（2）、增益光纤（3）、第一偏振控制器（4）、偏振相关隔离器（5）、可饱和吸收体（6）、对称双模光纤耦合器（7）、第二偏振控制器（8）、ccd相机（9）及单模光纤耦合器（10），泵浦源（1）的输出端口连接波分复用器（2）的一个输入端口，波分复用器（2）的输出端口连接增益光纤（3）的输入端口，增益光纤（3）的输出端口连接第一偏振控制器（4）的输入端口，第一偏振控制器（4）的输出端口连接偏振相关隔离器（5）的输入端口，偏振相关隔离器（5）的输出端口连接可饱和吸收体（6）的输入端口，可饱和吸收体（6）的输出端口连接对称双模光纤耦合器（7）的输入端口，对称双模光纤耦合器（7）具有两个输出端口，其中一个输出端口连接第二偏振控制器（8）的输入端，另一个输出端口连接单模光纤耦合器（10）的输入端口，单模光纤耦合器（10）的输出端口连接波分复用器（2）的另一个输入端口，第二偏振控制器（8）的输出端连接ccd相机（9），其中，可饱和吸收体（6）为非线性材料coof，对称双模光纤耦合器（7）具有高阶模式激励和耦合输出功能。

2.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述泵浦源（1）采用激光二极管，输出激光为，采用波分复用器（2），将泵浦激光耦合进增益光纤。

3.如权利要求2所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述增益光纤（3）为掺铒光纤，色散参数，长度为40cm，传输至增益光纤（3）的激光，通过增益光纤（3）增益起振作用后入射至与其相连的第一偏振控制器（4）中。

4.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述第一偏振控制器（4）的一端连接在增益光纤（3）的一侧，第一偏振控制器（4）与可饱和吸收体（6）相结合调整光腔内锁模状态，第一偏振控制器（4）及可饱和吸收体（6）分别连接在偏振相关隔离器（5）两侧。

5.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：非线性材料coof的可饱和吸收体（6）的制备方法为：在高温环境下，以四水合氟化钴作为原材料，通过热膨胀、剥离以及热处理操作，合成了二维的氟氧化钴，随后将此种材料以乙醇溶液作为载体转移至具有适当锥度光纤的锥形区域，并进行固定，形成非线性材料coof的可饱和吸收体（6）。

6.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述对称双模光纤耦合器（7）由一对相同的双模光纤被拉伸、融合在一起，形成了一个共同的锥形腰部，使光在传播时完成光纤间的耦合，插入空腔的对称双模光纤的色散参数为；对称双模光纤耦合器（7）的锥度直径应满足：。

7.如权利要求6所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：光腔中除对称双模光纤外还具有单模光纤，单模光纤的色散参数为。

8.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述单模光纤耦合器（10）具有两路激光输出端口，一路连接波分复用器（2）构成环形腔结构，另一路作为激光的直接输出。。

9.如权利要求1所述的一种圆柱矢量光场产生装置，其特征在于：所述对称双模光纤耦合器（7）的拉伸过程以ccd相机（9）实时观测到的结果为参考，当ccd相机（9）检测到对称双模光纤耦合器（7）的输出端口中出现合适的模式所对应的光束轮廓时，拉伸过程停止。

10.一种使用圆柱矢量光场产生装置的圆柱矢量光场发生方法，其特征在于：泵浦源（1）发出泵浦激光经过波分复用器（2）的输入端口后，经过增益光纤（3）进行增益起振作用后入射至与增益光纤（3）连接的第一偏振控制器（4）内进行激光偏振，再经过偏振相关隔离器后与非线性材料coof的可饱和吸收体（6）调整腔内功率及偏振，使激光器达到锁模状态，之后经过具有高阶模式激励和耦合输出功能的对称双模光纤耦合器（7）进行输出后经过单模光纤耦合器（10），最后回到波分复用器（2）的另一个输入端口，以此顺序构成完整光路。

技术总结
本发明公开一种圆柱矢量光场产生装置及其发生方法，涉及光纤激光器及非线性光学的技术领域，产生装置包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、可饱和吸收体、对称双模光纤耦合器、第二偏振控制器、CCD相机及单模光纤耦合器，本发明利用一种具有适当锥度直径的对称双模光纤耦合器，由于具有高阶模态激励和分裂的作用，故可以在稳定的锁模激光器中产生圆柱矢量光束，基于对称双模光纤耦合器，选用氟氧化钴（CoOF）为可饱和吸收体进行腔内激光的被动锁模，本发明以较为简单的制作工艺来产生具有较高纯度的圆柱矢量光场，这种锁模圆柱矢量光场的光纤激光器在光通信、光捕获、材料加工等方面具有较大的应用前景。

技术研发人员：刘文军,邢笑伟,李奎,刘孟丽,刘茜美
受保护的技术使用者：厦门纽立特电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1