一種雙波長調(diào)Q 柱矢量光光纖激光器

王承鑫

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展和它在人們生活應(yīng)用中的不斷擴(kuò)展，研究者們不再滿足于對常規(guī)激光光場的功率、振幅進(jìn)行研究，而是越來越重視對激光光場的相位、偏振態(tài)調(diào)控方面的研究，并相繼提出了渦旋光場、矢量光場等新型光場。早在1961 年，斯尼策就首次從理論上提出了矢量光場的概念[1]，其中柱矢量光（Cylindrical vector beam, CVB）是在柱坐標(biāo)系下求解麥克斯韋方程組得到的特征解。它主要包括角向偏振光、徑向偏振光和混合態(tài)偏振光三種。徑向偏振光和角向偏振光在光束橫截面上偏振態(tài)的方向分別沿著橫截面上的半徑方向和垂直于半徑的切線方向。徑向偏振光在大數(shù)值孔徑透鏡聚焦下，在焦點附近可以獲得一個平行于光軸方向的強(qiáng)垂直偏振光場。這種獨特的特性使得它在超分辨成像、材料的微納加工、表面等離子體的激發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、光鑷系統(tǒng)等 領(lǐng) 域 有 著 廣 泛 的 應(yīng) 用 前 景[2，3]。1972 年，D.Pohl 和Y.Mushiake 等人在紅寶石激光器和He-Ne 激光器中分別獲得了角向和徑向偏振光[4，5]。四十多年以來，陸續(xù)提出了許多方法來產(chǎn)生柱矢量光，總的來說，生成柱矢量光的方法主要分為主動生成法和被動生成法兩種[6，-9]。主動法指的是在激光諧振腔內(nèi)引入具有選模作用的特殊光學(xué)元件濾掉其他偏振模式，使激光器直接輸出柱矢量光。另一種被動法，即在諧振腔外利用特殊光學(xué)元件通過偏振變換得到柱矢量光。主動生成法雖然產(chǎn)生柱矢量光的效率較高，但是欠缺靈活性；而被動生成法的優(yōu)點是具有很強(qiáng)的靈活性，而缺點是轉(zhuǎn)化效率不高。利用少模光纖的方法來生成柱矢量光是一種便捷有效的方法。通過求解普通階躍光纖中波動方程的本征解，可以得到徑向偏振光束和角向偏振光束分別對應(yīng)的是LP11模式中的TE01模式和TM01模式。因此，首先利用少模光纖把光束從基模LP01模式激發(fā)到高階簡并模LP11模式，再通過一系列的偏振控制器件對它的幾種模式進(jìn)行選擇性輸出，就可以分別得到徑向偏振光和角向偏振光的輸出。

關(guān)于高功率輸出的調(diào)Q 柱矢量激光器的報道很少。在這篇文章中，我們提出了一種使用全光纖技術(shù)得到雙波長脈沖柱矢量光的方法。這種全光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計大大減少了激光器的體積，使這種激光器在光學(xué)操縱和粒子捕獲方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。

1 耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)耦合模理論[10，11]，提出了一種3×3 模式轉(zhuǎn)換耦合器，其裝置如圖1 所示。它是由兩根單模光纖（兩側(cè)的SMF，芯/包層直徑= 6.2 / 125 μm，NA = 0.14）和一根少模光纖（中間的FMF，芯/包層直徑= 22.4 / 125 μm，NA =0.12）拉錐耦合而成。圖中箭頭表示的是光束的傳，1 μm 的基模光束從端口1 進(jìn)入耦合區(qū)域后，基模光被激發(fā)到高階模式。殘留的基模光從端口2 返回到1 μm 的諧振腔中，激發(fā)的高階光從端口3 輸出。同樣地，1.5 μm 的基模光束從端口4 進(jìn)入耦合區(qū)域，并且在耦合區(qū)域?qū)⒒９饧ぐl(fā)到高階模式。殘留的基模光從端口5 返回到1.5 μm 諧振腔中，激發(fā)的高階光從端口6 輸出。拉錐后SMF 和FMF 的光纖直徑分別為15 μm 和20 μm，錐度的長度約為3 mm。

圖1 具有3x3 端口的模式轉(zhuǎn)換耦合器的示意圖

最后將MWCNT 制成薄膜覆蓋到拉錐光纖的錐區(qū)，利用多壁碳納米管與雙錐形微納光纖的芯外倏逝場相互作用來實現(xiàn)調(diào)Q，形成的集成耦合元件稱為可飽和吸收模式轉(zhuǎn)換耦合器。

2 實驗裝置

雙波長被動調(diào)Q 柱矢量光激光器的裝置如圖2 所示，激光器色諧振腔是由帶有增益介質(zhì)EDF（Er3+摻雜光纖）和YDF（Yb3+摻雜光纖）的兩個子腔耦合而成。摻Er 激光腔由一個980 nm 激光二極管、一個980/1560 nm 波分復(fù)用器(WDM)、一段50 cm 的EDF（Er110-4/125、LⅠEKKⅠ）、兩個偏振控制器（PC5 和PC6）、偏振無關(guān)隔離器(PⅠ-ⅠSO) 和10/90輸出耦合器(OC) 組成。摻Y(jié)b 激光腔長度約為9 m，它是由一個980 nm 激光二極管、一個980/1060 nm 波分復(fù)用器(WDM)、一段60 cm 的YDF(Yb 1200-4/125,LⅠEKKⅠ)、兩個偏振控制器（PC2 和PC3）組成、偏振無關(guān)隔離器(PⅠ-ⅠSO)和10/90 輸出耦合器(OC)。兩個激光腔由我們的制成的耦合器連接（如虛線框所示）。MWCNTs 的寬帶可飽和吸收特性保證了激光器可以在1 μm 和1.5 μm 處形成穩(wěn)定的調(diào)Q 脈沖，隔離器確保了光在諧振腔中的單向傳輸，圖5 中的箭頭分別表示光在兩個激光腔中的傳輸方向，PC2 和PC5 用于調(diào)整激光腔內(nèi)光脈沖的偏振態(tài)。從少模光纖輸出端3 和4 輸出的脈沖柱矢量光斑圖像在經(jīng)過一個光纖準(zhǔn)直器聚焦后由CCD 攝像機(jī)（紅外數(shù)字CMOS 攝像機(jī)）探測。

圖2 光纖激光器的實驗裝置

3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明兩個子腔可以獨立運行。當(dāng)摻Er 腔中的泵浦功率增加到100 mW 時，就會出現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q 激光脈沖。泵浦功率達(dá)到240 mW 時脈沖序列的如圖3 (a)所示。重復(fù)率為25.1 kHz，脈沖間隔為39.7 μs。如圖3 (b)所示，光譜中心位于1560 nm，3 dB 帶寬為2.2 nm。隨著泵浦功率的增加，輸出激光的重復(fù)頻率線性增加（從5 kHz 到30 kHz），脈沖寬度逐漸減小，直到恒定值2.1 μs [見圖3 (c)]；同時脈沖能量和峰值功率隨著泵浦功率的增加而增加，直到泵浦功率達(dá)到240mW。當(dāng)泵浦功率大于240mW 時，除了脈沖持續(xù)時間、脈沖能量和峰值功率幾乎固定之外，由于MWCNTs 的飽和吸收，重復(fù)率仍將線性增加[見圖3 (c) 和(d)]。

圖3 摻Er 諧振腔的激光脈沖特性

圖4 表示的是摻Y(jié)b 激光腔的激光輸出特性，在160 mW 的泵浦功率下實現(xiàn)調(diào)Q, 圖4 (a) 表示的是當(dāng)泵浦功率為270 mW 時，output1 端口測得激光的脈沖序列。脈沖持續(xù)時間約為1.21 μs，脈沖間隔約為12.3 μs（對應(yīng)于81.3 kHz 的重復(fù)頻率）。泵浦功率為270 mW 時的輸出頻譜如圖4 (b)所示?？梢钥闯?，激光波長為1036nm，3dB 帶寬為0.9nm。當(dāng)泵浦功率從160 mW 增加到300 mW 的過程中，脈沖序列的重復(fù)率顯示出線性趨勢（從40 kHz到110 kHz）。當(dāng)泵浦功率達(dá)到 260 mW時，也會出現(xiàn)飽和效應(yīng)。當(dāng)泵浦功率達(dá)到300 mW 時，最小脈沖持續(xù)時間約為2.1 μs [圖4 (d)]。

圖4 摻Y(jié)b 諧振腔的激光脈沖特性

通過調(diào)節(jié)PC2 和PC5 可以控制輸入到可飽和吸收模式轉(zhuǎn)換耦合器的基模光的偏振狀態(tài)，可以提高從基模到高階模式的耦合效率。PC3 和PC6 用于過濾其他的偏振態(tài)，從而形成更高模式純度的APB 和RPB 的輸出?？梢酝ㄟ^精確的調(diào)節(jié)PC2 和PC3 來獲得1 μm 的角向偏振光束和徑向偏振光束。圖5 表示的是由CCD 相機(jī)檢測到的1 μm 光脈沖的光斑強(qiáng)度分布。頂行和底行分別表示的是角向偏振和徑向偏振矢量光束。為了確認(rèn)模式，在CCD 和準(zhǔn)直器之間插入了線性偏振片。隨著線性偏振片的旋轉(zhuǎn)，角向偏振光（APB）和徑向偏振光（RPB）的兩瓣光斑也將相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，因此，可以確認(rèn)其為角向偏振光束和徑向偏振光束。

圖5 CVB 在1μm 處的強(qiáng)度分布

使用相同的方法，調(diào)節(jié)PC5 和PC6，可以獲得高純度1.5 μm 的RPB 和APB（見圖6）。輸出光斑的模式純度可以通過彎曲法測得1 μm 和1.5 μm 的模式純度分別為95%和92%。

圖6 CVB 在1.5μm 處的強(qiáng)度分布

4 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于少模光纖的雙波長被動調(diào)Q 柱矢量光光纖激光器，獲得了的波長在1 μm 和1.5 μm的高模式純度的脈沖柱矢量光束。同時通過調(diào)節(jié)泵浦功率可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出柱矢量脈沖激光的脈沖寬度，重復(fù)頻率，峰值功率和單脈沖能量。得到的這種柱矢量光激光器在非線性光學(xué)，時空光學(xué)和超快光學(xué)中有潛在的應(yīng)用。