一种全光纤布里渊单频涡旋激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤。本发明专利技术基于涡旋光纤的模式分离和优化设计，采用涡旋光纤器件可确保特定阶轨道角动量模式在腔内和输出端的产生和稳定传输。基于同阶模式泵浦机制，使得腔内同阶轨道角动量模式的布里渊信号光直接谐振。通过控制环形腔腔长，使得腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在腔内只有一个纵模起振，可保证单频涡旋激光输出。本发明专利技术基于环形腔内单一模式直接谐振机制，输出的单频涡旋激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

An all fiber Brillouin single frequency vortex laser

The invention discloses an all fiber Brillouin single frequency vortex laser, which comprises a base mode pump source, an optical amplifier, a first polarization controller, an orbital angular momentum mode generator, a second polarization controller, a fiber circulator, a fiber coupler, a third polarization controller and a vortex fiber. The invention is based on the mode separation and optimal design of the vortex optical fiber, and the use of the vortex optical fiber device can ensure the generation and stable transmission of the specified order orbit angular momentum mode in the cavity and the output end. Based on the same order mode pumping mechanism, the Brillouin signal light of the same order orbital angular momentum mode in the cavity resonates directly. By controlling the length of the ring cavity, the gap between the longitudinal modes is larger than the width of the Brillouin gain spectrum, so that only one longitudinal mode vibrates in the cavity, which can guarantee the output of the single frequency vortex laser. The invention is based on a single mode direct resonance mechanism in the annular cavity, and the output single frequency vortex laser has the advantages of high mode purity and good beam quality.

【技术实现步骤摘要】
一种全光纤布里渊单频涡旋激光器
本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种全光纤布里渊单频涡旋激光器。
技术介绍
涡旋光束是场分布带有螺旋相位项exp(ilφ)的一种光束，光束中每个光子携带lh的轨道角动量（l为拓扑荷数，φ为方位角，h为普朗克常量），具有环形光场分布和螺旋相位奇点的特点。这些独特的性质使其被广泛应用于材料加工、光镊、高分辨率成像、光纤传感和光纤通信等领域。但是，这些应用前景对漩涡光束的单色性、相干性、模式纯度和稳定性等方面提出了更高的要求。单频光纤激光器由于具有窄线宽、高单色性和相干性等优点可以满足这样的要求。同时，单频光纤激光器已成为密集波分复用光通信系统、相干光通信系统、分布式光纤传感系统和相干激光雷达等领域的重要激光光源。将单频激光和涡旋激光结合形成单频涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光单频光纤激光器具有十分重要的意义。关于单频光纤激光器的研究有很多，专利CN109149330A公布了一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，采用超短线型腔架构实现噪声性能优异和线宽极窄的单频激光输出。专利CN106410599A公布了一种布里渊单纵模移频光纤激光器，利用复合腔的选模特性实现单纵模激光输出。实际上，光波在光纤传输时，由于纤芯边界的限制，求解光波传输的亥姆霍兹方程得到的是不连续的电磁场解，这种不连续的场解称为模式，包括基横模和高阶横模。传统单模光纤中稳定传输的模式即为基横模。而光纤中的涡旋光是由高阶矢量横模（HE或EH）的奇模和偶模以π/2相位差叠加而成，也称为轨道角动量模式。很显然，上述专利公布的单频光纤激光器输出的为基横模单频激光，是不能直接产生涡旋光单频激光的。在传统单频光纤激光器的输出端外加轨道角动量模式产生器或转换器是一种很容易想到的间接产生方案，也就是将基横模单频激光转换为轨道角动量模式单频激光。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式单频激光，但激光性能严重依赖于轨道角动量模式产生器或转换器的性能，输出激光的功率会随之降低，模式纯度偏低，光束质量较差。另外，大多数的光纤型轨道角动量模式产生器或转换器是基于单模光纤和传统少模光纤或多模光纤制得。传统单模光纤只支持基横模的传输，传统少模光纤或多模光纤中由于弱波导近似使相近传播常数的高阶矢量横模简并为线偏振模式，均无法满足轨道角动量模式在光纤中稳定传输。因此，由传统单频光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式单频激光传输不稳定。因此，设计一种单频光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式单频激光具有十分重要的意义。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种全光纤布里渊单频涡旋激光器。具有结构简单、成本低、易于光纤系统集成、输出激光轨道角动量模式纯度高和稳定性好的优点。本专利技术的目的能够通过以下技术方案实现：一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤；所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述偏振控制器施加在轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器的第二端口经涡旋光纤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涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口，所述第三偏振控制器施加在光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光。本专利技术提供的布里渊单频涡旋激光器为环形腔结构。基模泵浦源输出的基模泵浦光经过光放大器进行功率放大后，通过第一偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定拓扑荷数的轨道角动量模式泵浦光。轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器后进入由光纤环形器和光纤耦合器经涡旋光纤连接构成环形腔，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的相同拓扑荷数的轨道角动量模式布里渊信号光。轨道角动量模式布里渊信号光经过第三偏振控制器、光纤耦合器和环形器在环形腔循环。环形腔由涡旋光纤及基于涡旋光纤的器件连接构成。相比于传统少模光纤或多模光纤，涡旋光纤的设计思路是增大纤芯和包层的折射率对比度，以打破传播常数相近的矢量模式简并，即光纤支持的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4，进而实现轨道角动量模式在谐振腔内稳定传输。当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，轨道角动量模式布里渊信号光在环形腔内稳定存在并直接谐振放大。通过控制环形腔腔长，使得腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在布里渊增益谱范围内有且只有一个纵模起振并形成激光出射。光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光。优选地，所述轨道角动量模式产生器为光纤型器件，具体地，可选用熔融型光纤模式选择耦合器、长周期光纤光栅或手性光纤光栅，模式转换效率大于70%，模式纯度大于80%，第一端口采用单模光纤，第二端口采用涡旋光纤。优选地，所述光纤环形器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。优选地，所述光纤耦合器组选用涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。优选地，所述环形腔的腔长小于6m。优选地，所述涡旋光纤选用支持轨道角动量模式稳定传输的阶跃折射率环芯光纤、梯度折射率环芯光纤、梯度折射率光纤或逆抛物线折射率光纤。本专利技术相较于现有技术，具有以下的有益效果：1、本专利技术利用光纤型轨道角动量模式产生器和耦合器，作为泵浦模式转换器件和激光输出耦合器件，具有损耗小，效率高的优点；2、本专利技术利用支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤连接构成环形腔，基于涡旋光纤中的布里渊非线性效应，实现轨道角动量模式腔内直接谐振放大，获得的激光模式纯度高，光束质量好；3、本专利技术采用全光纤结构，具有结构简单，成本低，易于光纤系统集成等优点。附图说明图1为实施例1中的全光纤布里渊单频涡旋激光器的示意图。图中，1-基模泵浦源、2-光放大器、3-第一偏振控制器、4-轨道角动量模式产生器、401-轨道角动量模式产生器第一端口、402-轨道角动量模式产生器第二端口、5-第二偏振控制器、6-光纤环形器、601-光纤环形器第一端口、602-光纤环形器第二端口、603-光纤环形器第三端口、7-光纤耦合器、701-光纤耦合器第一端口、702-光纤耦合器第二端口、703-光纤耦合器第三端口、8-第三偏振控制器、9-涡旋光纤。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1所示为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤；/n所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；/n所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；/n所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；/n所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述第一偏振控制器施加在轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器的第二端口经涡旋光纤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涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口，所述第三偏振控制器施加在光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光；/n所述涡旋光纤为纤芯和包层的折射率满足高折射率对比度以使涡旋光纤中支持的各矢量模式有效折射率差大于1×10

【技术特征摘要】
1.一种全光纤布里渊单频涡旋激光器，其特征在于包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第三偏振控制器和涡旋光纤；
所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；
所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器的第一端口，所述第一偏振控制器施加在轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述光纤环形器的第二端口经涡旋光纤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涡旋光纤连接至光纤环形器的第三端口，所述第三偏振控制器施加在光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述光纤耦合器的第三端口输出单频涡旋激光；
所述涡旋光纤为纤芯和包层的折射率满足高折射率对比度以使涡旋光纤中支持的各矢量模式有效折射率差大于1×10-4进而支持轨道角动量模式稳定传输的光纤；
所述轨道角动量模式产生器、光纤环形器和光纤耦合器均为涡旋光纤器件，支持轨道角动量模式在谐振腔内和...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘久林，衡小波，杨中民，张智深，林巍，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44