本實(shí)用新型屬于光纖激光器領(lǐng)域，具體涉及一種基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器。

背景技術(shù)：

近些年來(lái)，柱矢量激光，特別是具有超短脈沖寬度的柱矢量激光因其對(duì)稱的偏振特性和強(qiáng)度特性，以及徑向偏振光在高數(shù)值孔徑下的聚焦特性，受到了極大的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于材料加工、光鑷、光纖傳感、表面等離子激發(fā)和光纖通信等領(lǐng)域。

目前，柱矢量激光主要通過(guò)空間相位調(diào)制器、組合半波片、雙折射晶體和亞波長(zhǎng)光柵等體塊式自由空間器件對(duì)光偏振態(tài)的精確調(diào)控來(lái)獲得。但是利用上述器件產(chǎn)生柱矢量激光，對(duì)于這些器件的精密程度和作用范圍都有著嚴(yán)格的要求，而且光路不易集成、制作成本高。

近幾年，利用全光纖的方法激發(fā)高階模并獲得柱矢量激光成為研究熱點(diǎn)，主要利用光纖錯(cuò)位耦合的方法激發(fā)高階模，以少模光纖光柵作為橫向高階模選模單元，結(jié)合鎖模技術(shù)獲得超短脈沖柱矢量激光，如公告號(hào)為CN102544999B、名稱為“基于少模光纖光柵的全光纖軸對(duì)稱偏振光束激光器及產(chǎn)生方法”的發(fā)明專利。通過(guò)錯(cuò)位耦合和少模光柵的全光纖方法激發(fā)柱矢量激光的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，然而其缺點(diǎn)在于：(1)光纖錯(cuò)位耦合的方法產(chǎn)生的高階模損耗較大，柱矢量激光斜率效率低、輸出功率小，限制了其在長(zhǎng)距離光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用；(2)通過(guò)錯(cuò)位耦合的方法產(chǎn)生高階模的同時(shí)，必須使用少模光柵進(jìn)行選模操作，而少模光柵制備技術(shù)要求高，周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，實(shí)用化性能較低。因此，如何實(shí)現(xiàn)一種低損耗、高效率、全光纖和低成本的方法以獲得純度高、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊的超短脈沖柱矢量激光器具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決是克服現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生超短脈沖柱矢量激光的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗大、效率低和制作成本昂貴等缺點(diǎn)，提供一種新型的產(chǎn)生超短脈沖柱矢量激光的方法，即基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器，該激光器的所有器件均采用全光纖耦合方式，結(jié)構(gòu)緊湊，不受外界因素干擾，可連續(xù)穩(wěn)定工作，而且該光纖激光器損耗小、成本低、輸出效率高。通過(guò)8字腔構(gòu)成非線性放大環(huán)鏡，實(shí)現(xiàn)鎖模操作，獲得超短脈沖寬度激光輸出；腔內(nèi)置入模式選擇耦合器，實(shí)現(xiàn)高純度、高效率的超短脈沖柱矢量激光輸出。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器，包括：泵浦源、波分復(fù)用器、增益光纖、單模光纖、第一偏振控制器、第二偏振控制器、3dB耦合器、隔離器、耦合器和模式選擇耦合器；其中，泵浦源的輸出端與波分復(fù)用器的短波長(zhǎng)輸入端相連，波分復(fù)用器的輸出端依次通過(guò)增益光纖、單模光纖、第一偏振控制器與3dB耦合器的1端口輸入端相連，3dB耦合器的2端口輸入端和波分復(fù)用器的長(zhǎng)波長(zhǎng)端口相連，3dB耦合器的4端口依次通過(guò)隔離器、耦合器、模式選擇耦合器與3dB耦合器的3端口相連，構(gòu)成一個(gè)8字諧振腔，第二偏振控制器連接到模式選擇耦合器的少模光纖輸出端。

進(jìn)一步，上述模式選擇耦合器可以在不同的光纖輸出端選擇性地輸出不同的模式，具有模式轉(zhuǎn)換和模式選擇兩個(gè)功能，且插入損耗小。

由于8字腔中的非線性放大環(huán)鏡的作用，在3dB耦合器4端口輸出端輸出光脈沖，光脈沖經(jīng)隔離器和耦合器后進(jìn)入模式選擇耦合器的輸入端，通過(guò)模式選擇耦合器實(shí)現(xiàn)從基模LP01到高階模LP11模式轉(zhuǎn)換，在單模光纖輸出端口輸出基模LP01，在少模光纖輸出端輸出高階模LP11。

利用8字諧振腔中構(gòu)成的非線性放大環(huán)形鏡充當(dāng)可飽和吸收體進(jìn)行鎖模，當(dāng)調(diào)節(jié)第一偏振控制器時(shí)，在輸出端輸出超短光脈沖。

通過(guò)調(diào)節(jié)第二偏振控制器，將會(huì)在少模光纖輸出端得到呈環(huán)狀分布、偏振純度較高的超短脈沖柱矢量激光。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下技術(shù)效果；

(1)本實(shí)用新型利用模式選擇耦合器作為激光器諧振腔內(nèi)模式轉(zhuǎn)換器件，損耗小，效率高，獲得的柱矢量光偏振純度高；利用模式選擇耦合器作為激光器諧振腔內(nèi)選模器件，替代少模光柵，經(jīng)濟(jì)便捷，性價(jià)比高。

(2)本實(shí)用新型采用全光纖8字諧振腔實(shí)現(xiàn)激光器鎖模，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出激光脈沖脈寬窄且性能穩(wěn)定。

(3)本實(shí)用新型采用全光纖結(jié)構(gòu)，激光器輸出效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，不受外界因素干擾，可連續(xù)穩(wěn)定工作。

附圖說(shuō)明

圖1為模式選擇耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為單模光纖中的LP01模與少模光纖中LP11模在1550波長(zhǎng)下的有效折射率隨光纖半徑的變化曲線。

圖3為利用Rsoft軟件仿真單模光纖中的LP01模式與少模光纖中的LP11模式在耦合區(qū)功率周期性交換圖。

圖4為模式選擇耦合器在少模光纖輸出端的高階模(LP11)模斑圖，通過(guò)CCD測(cè)試獲得。

圖5為基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器的輸出光譜圖。

圖7為基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器的輸出時(shí)域波形圖；其中(a)為激光器輸出多個(gè)時(shí)域脈沖波形圖，(b)為激光器輸出單個(gè)時(shí)域脈沖波形圖。

圖8為CCD探測(cè)獲得的柱矢量激光模斑圖以及加起偏器后的激光模斑圖；其中，(a)為角向偏振光模斑，呈環(huán)狀分布，(b)、(c)、(d)、(e)均為角向偏振激光輸出加入偏振片并改變偏振片光軸方向后獲得的偏振光場(chǎng)分布，(f)為徑向偏振光模斑，光場(chǎng)呈環(huán)狀分布，(g)、(h)、(i)、(j)均為徑向偏振激光加入偏振片并改變偏振片光軸方向后獲得的偏振光場(chǎng)分布。

圖9為激光器輸出脈沖的平均功率隨泵浦功率變化的曲線圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)用新型提出的基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器，包括泵浦源、波分復(fù)用器、增益光纖、第一偏振控制器、第二偏振控制器、單模光纖、3dB耦合器、耦合器、隔離器、模式選擇耦合器；其中，泵浦源的輸出端與波分復(fù)用器的短波長(zhǎng)輸入端相連，波分復(fù)用器的輸出端依次通過(guò)增益光纖、單模光纖、第一偏振控制器與3dB耦合器的1端口輸入端相連，3dB耦合器的2端口輸出端和波分復(fù)用器的長(zhǎng)波長(zhǎng)端口相連，3dB耦合器的4端口與隔離器、耦合器、模式選擇耦合器與3dB耦合器的3端口相連，構(gòu)成一個(gè)8字諧振腔，第二偏振控制器與模式選擇耦合器的少模光纖輸出端相連。

模式選擇耦合器將單模光纖中的基模(LP01)向少模光纖中的高階模(LP11)轉(zhuǎn)換，在單模光纖輸出端口輸出LP01模，在少模光纖輸出端口輸出LP11模，在不同的光纖輸出端選擇性的輸出不同的模式，具有模式轉(zhuǎn)換和模式選擇兩個(gè)功能，且插入損耗小。

本實(shí)用新型利用8字腔中構(gòu)成的非線性放大環(huán)形鏡進(jìn)行鎖模脈沖輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)第一偏振控制器，輸出的脈沖在納秒級(jí)別。

本實(shí)用新型通過(guò)模式選擇耦合器和8字腔的共同作用，調(diào)節(jié)第一偏振控制器和第二偏振控制器，將會(huì)在耦合器輸出端得到偏振純度較高的超短脈沖柱矢量激光。

本實(shí)用新型結(jié)合8字腔鎖模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)鎖模柱矢量光纖激光器。輸出光譜穩(wěn)定，而且損耗小，脈寬窄，柱矢量光偏振純度高。

圖1是模式選擇耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理如下：

根據(jù)耦合模理論和耦合模方程:

式中，z表示耦合的距離，β₁和β₂分別為單模光纖中的LP01模式和少模光纖中被激起的某一模式的傳播常數(shù)；A₁和A₂分別為單模光纖中的LP01模和少模光纖中被激起的某一模式的模場(chǎng)振幅；C₁₁和C₂₂為自耦合系數(shù)；C₁₂和C₂₁為互耦合系數(shù)。自耦合系數(shù)相對(duì)于互耦合系數(shù)很小，可以忽略不計(jì)，且近似有C₁₂＝C₂₁＝C，經(jīng)上式求得耦合器兩個(gè)輸出端口的光功率為：

當(dāng)β₂為少模光纖中LP11模的傳播常數(shù)時(shí)，如果此時(shí)相位差Δβ＝β₁-β₂為零，即單模光纖中的LP01模和少模光纖中的LP11模達(dá)到相位匹配的條件，此時(shí)，

P₁(z)＝cos²(cz),P₂(z)＝sin²(cz)。

上式表明，在相位匹配情況下，兩個(gè)模式進(jìn)行周期性功率交換，實(shí)現(xiàn)了LP01模向LP11模模式轉(zhuǎn)換的功能；在單模光纖輸出端輸出LP01模，在少模光纖輸出端輸出LP11模，通過(guò)在不同的光纖輸出端選擇性的輸出不同的模式，實(shí)現(xiàn)了模式選擇的功能。

實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法為：因?yàn)橄辔沪拢絥_eff k₀,其中k₀為真空中的傳播常數(shù)，n_eff為模式的有效折射率，而模式的有效折射率隨著光纖的直徑變化而變化，所以當(dāng)單模光纖的直徑和少模光纖的直徑匹配時(shí)，單模光纖中的LP01模和少模光纖中的LP11模的相位也就匹配。如圖2所示為利用COMSOL軟件仿真獲得的單模光纖中LP01模和少模光纖中LP11模在1550波長(zhǎng)下的有效折射率隨纖芯半徑的變化關(guān)系。如圖3所示為基于光束傳播法(BPM)，利用Rsoft仿真獲得的實(shí)現(xiàn)相位匹配的光纖直徑參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算獲得的LP01模與LP11模功率周期性交換的仿真圖。利用熔融拉錐法按照?qǐng)D3仿真參數(shù)制作模式選擇耦合器，利用CCD觀測(cè)少模光纖輸出端的模斑，如圖4所示，經(jīng)測(cè)量得到模式選擇耦合器少模光纖輸出端的高階模(LP11)的純度在96％以上，且模式選擇耦合器的插入損耗在1dB以下。

如圖5所示為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，一種基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器。包括泵浦源、波分復(fù)用器、增益光纖、單模光纖、第一偏振控制器、第二偏振控制器、3dB耦合器、隔離器、耦合器、模式選擇耦合器；其中，

泵浦源的輸出端與波分復(fù)用器的短波長(zhǎng)輸入端相連，波分復(fù)用器的輸出端依次通過(guò)增益光纖、單模光纖、第一偏振控制器與3dB耦合器的1端口輸入端相連，3dB耦合器的2端口輸出端和波分復(fù)用器的長(zhǎng)波長(zhǎng)端口相連，3dB耦合器的4端口與隔離器、耦合器、模式選擇耦合器與3dB耦合器的3端口相連，構(gòu)成一個(gè)8字諧振腔，第二偏振控制器接在模式選擇耦合器的少模光纖輸出端。

本實(shí)用新型的工作原理如下：泵浦源作為8字諧振腔的激勵(lì)源，用于輸出泵浦光至波分復(fù)用器的短波長(zhǎng)輸入端，波分復(fù)用器用于將具有波長(zhǎng)不同的泵浦光和由其長(zhǎng)波長(zhǎng)輸入端輸入的反饋激光復(fù)用至光纖諧振腔中，增益光纖(摻鉺)用于提供光放大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖增加光纖的非線性效應(yīng)，第一個(gè)偏振控制器控制光的偏振態(tài)，3dB耦合器用于光的分束，將光分為兩路，第一路光連接波分復(fù)用器的長(zhǎng)波長(zhǎng)端，第二路光接至光隔離器(保證光的單向傳輸)，之后再接一個(gè)耦合器，少量的光作為輸出端檢測(cè)，大部分的光留在諧振腔中諧振，之后通過(guò)一個(gè)模式選擇耦合器，在模式選擇耦合器的少模光纖輸出端輸出高階模，在模式選擇耦合器的單模光纖輸出端再接3dB耦合器的另一個(gè)輸入端，構(gòu)成一個(gè)8字諧振腔。其中，8字諧振腔左邊的一個(gè)諧振腔中由于增益光纖，單模光纖，第一偏振控制器，3dB耦合器將形成光纖的非線性放大環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)光的鎖模，形成一個(gè)鎖模光纖激光器，而在8字諧振器中由于模式選擇耦合器的存在，激光器在少模光纖輸出端將輸出高階模，通過(guò)調(diào)節(jié)第二偏振控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)模場(chǎng)的偏振態(tài)精確控制，在輸出端得到呈環(huán)狀分布、偏振純度較高的柱矢量激光。整個(gè)8字諧振腔既能實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出，又能實(shí)現(xiàn)柱矢量激光輸出。

如圖6所示為基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器的輸出光譜，帶寬為5.5nm，中心波長(zhǎng)為1556nm,邊模抑制比為35dB。

如圖7所示為基于模式選擇耦合器的8字腔鎖模柱矢量光纖激光器的輸出波形圖；其中(a)為激光器輸出多個(gè)時(shí)域波形圖，(b)為激光器輸出單個(gè)時(shí)域波形圖，由圖可得脈沖寬度約為20ns，脈沖重復(fù)頻率為0.66MHz。

圖8所示為CCD探測(cè)獲得的柱矢量激光模斑圖以及加起偏器后的激光模斑圖；其中，(a)為角向偏振光模斑，呈環(huán)狀分布，(b)、(c)、(d)、(e)均為角向偏振激光輸出加入偏振片并改變偏振片光軸方向后獲得的偏振光場(chǎng)分布，(f)為徑向偏振光模斑，光場(chǎng)呈環(huán)狀分布，(g)、(h)、(i)、(j)均為徑向偏振激光加入偏振片并改變偏振片光軸方向后獲得的偏振光場(chǎng)分布。測(cè)試結(jié)果顯示所獲得的柱矢量光束的偏振純度大于91.3％。

圖9為激光器輸出脈沖的平均功率隨泵浦功率變化的曲線圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到激光器的斜率效率為1.5％。

以上所述的具體實(shí)施方案，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案而已，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。