一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器、第三偏振控制器和涡旋光纤。本发明专利技术基于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谐振腔内和输出端的产生和稳定传输。基于同阶模式泵浦机制和谐振腔滤模效应，使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光获得增益最大化，进而在非线性放大环形镜锁模技术下获得轨道角动量模式锁模激光输出。本发明专利技术基于8字腔内单一模式直接谐振机制，输出的轨道角动量模式锁模激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

An orbital angular momentum mode mode-locked fiber laser with 8-shaped cavity

The invention discloses an 8-cavity orbital angular momentum mode-locked fiber laser, which comprises a base mode pump source, a first polarization controller, an orbital angular momentum mode generator, a wavelength division multiplexer, a vortex gain fiber, a second polarization controller, a first fiber coupling device, a second fiber coupler, a polarization isolator, a third polarization controller and a vortex fiber. Based on the mode separation and optimized design of optical fiber, the vortex optical fiber device can ensure the generation and stable transmission of the specified order orbital angular momentum mode in the resonant cavity and the output end. Based on the pumping mechanism of the same order mode and the filtering effect of the resonator, the gain of the signal light of the same order orbital angular momentum mode in the resonator is maximized, and then the orbital angular momentum mode-locked laser output is obtained under the mode-locked technology of the nonlinear amplifying ring mirror. The invention is based on a single mode direct resonance mechanism in the 8 word cavity, and the output angular momentum mode locking laser has the advantages of high mode purity and good beam quality.

【技术实现步骤摘要】
一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器
本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器。
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输出峰值功率、稳定性、模式纯度和带宽等方面提出了更高的要求。锁模脉冲激光由于具有窄脉冲宽度、高峰值功率、宽频谱宽度等优点可以满足这样的要求。同时，锁模脉冲激光在材料精细加工、强场激光与物质相互作用等领域也有着重要的应用，也是应用于波分复用和光时分复用实现未来大容量高速光纤通信的关键技术之一。将锁模脉冲激光和涡旋激光结合形成锁模脉冲涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光锁模激光器具有十分重要的意义。锁模激光器有两种常用架构：基于块状光学元件的空间结构和基于光纤器件的光纤架构。相比于前者，锁模光纤激光器具有明显的优势，一方面光纤激光器的腔结构灵活（线形腔或环形腔），腔内可调参数多，便于产生锁模脉冲。另一方面锁模光纤激光器具有全光纤腔，而光纤本身具有很多特有的特性，如自相位调制、交叉相位调制、非线性偏振旋转等，合理利用这些特性可以有效改善脉冲质量。关于锁模光纤激光器的研究有很多，专利CN105428976A公布了一种锁模光纤激光器及脉冲激光产生方法，采用线形腔结构产生了锁模脉冲。专利CN106785842A公布了一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构实现高脉冲能量锁模脉冲输出。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，上述专利公布的锁模光纤激光器输出的脉冲为基横模锁模脉冲，是不能直接产生涡旋光锁模脉冲的。目前，产生涡旋光锁模脉冲的方法是在传统锁模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，也就是将基横模锁模脉冲转换为轨道角动量模式锁模脉冲，例如专利CN105870768A、CN108963734A和CN108988112A。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式锁模激光，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，由传统锁模光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式锁模脉冲传输不稳定。因此，设计一种锁模光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式锁模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8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器。具有成本低、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8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器，包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器、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；所述波分复用器具有第一端口、第二端口和第三端口；所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；所述第二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单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口连接至波分复用器的第一端口，所述波分复用器的第二端口经第二偏振控制器、涡旋增益光纤连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述波分复用器的第三端口连接至第一光纤耦合器的第二端口，所述第一光纤耦合器的第三端口连接至第二光纤耦合器的第一端口，所述第二光纤耦合器的第二端口经偏振隔离器、第三偏振控制器连接至第一光纤耦合器的第四端口，所述第二光纤耦合器的第三端口输出轨道角动量模式锁模激光。本专利技术提供的锁模光纤激光器为8字腔结构，包括一个非线性放大环形镜和一个线性环。8字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腔内稳定传输。波分复用器、第二偏振控制器、涡旋增益光纤和第一光纤耦合器构成非线性放大环形镜，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器和第三偏振控制器构成线性环。偏振隔离器的作用是抑制非线性放大环形镜的反射光并保证光在线性环中单向运行，第二偏振控制器和第三偏振控制器用来调节光纤内传输光的偏振态。基模泵浦源输出的基模泵浦光，通过偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定的轨道角动量模式泵浦光。轨道角动量模式泵浦光经波分复用器进入非线性放大环形镜，激发涡旋增益光纤中的增益介质产生携带相同轨道角动量的自发辐射光。轨道角动量模式自发辐射光经第一光纤耦合器进入线性环后单向运行，再经第一光纤耦合器分为两个相反方向传播的光。一个方向的光在刚进入非线性放大环形镜时即被放大，另一个方向的光则在出非线性放大环形镜时被放大。两个传播方向相反的光波在非线性放大环形镜中完成一次环形时获得不同的非线性相移，且其相位差不是常数而是随脉冲外形变化的。脉冲中心能量较强，获得的非线性相移较多，拥有的透射率更大，而脉冲两侧能量较弱，非线性相移累积较少被较多的反射。当脉冲循环至第一光纤耦合器时，脉冲中心被传输而脉冲两侧被反射，等效于可饱和吸收体的功能，最终从非线性放大环形镜输出的脉冲较其输入的脉冲要窄。通过调节第二偏振控制器和第三偏振控制器可使激光器稳定锁模。这一8字腔设计确保了轨道角动量模式在腔内的稳定存在并直接谐振激射。最终，轨道角动量模式锁模脉冲通过第二光纤耦合器的第三端口输出。优选地，所述轨道角动量模式产生器为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，所述波分复用器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。优选地，所述涡旋增益光纤选用纤芯内环形掺杂高浓度的镧系稀土发光离子、过渡金属离子或碱土金属离子中一种或多种组合的涡旋光纤。优选地，所述第一光纤耦合器为涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的2×2耦合器，第一端口和第二端口的分光比为50:50，第一端口、第二端口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器、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所述波分复用器具有第一端口、第二端口和第三端口；/n所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；/n所述第二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单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口连接至波分复用器的第一端口，所述波分复用器的第二端口经第二偏振控制器、涡旋增益光纤连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述波分复用器的第三端口连接至第一光纤耦合器的第二端口，所述第一光纤耦合器的第三端口连接至第二光纤耦合器的第一端口，所述第二光纤耦合器的第二端口经偏振隔离器、第三偏振控制器连接至第一光纤耦合器的第四端口，所述第二光纤耦合器的第三端口输出轨道角动量模式锁模激光；/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8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器、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；
所述波分复用器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
所述第二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单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口连接至波分复用器的第一端口，所述波分复用器的第二端口经第二偏振控制器、涡旋增益光纤连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述波分复用器的第三端口连接至第一光纤耦合器的第二端口，所述第一光纤耦合器的第三端口连接至第二光纤耦合器的第一端口，所述第二光纤耦合器的第二端口经偏振隔离器、第三偏振控制器连接至第一光纤耦合器的第四端口，所述第二光纤耦合器的第三端口输出轨道角动量模式锁模激光；
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、波分复用器、涡旋增益光纤、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和偏振隔离器均为涡旋光纤器件，支持轨道角动量模式在谐振腔内和输出端的产生和稳定传输；
所述波分复用器、第二偏振控制器、涡旋增益光纤和第一光纤耦合器构成非线性放大环形镜，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器和第三偏振控制器构成线性环，非线性放大环形...

【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