环形光束“双”切换——光纤中的新型激光光场调控方法

撰稿人：程培康；曾祥龙

封面文章|程培康,石帆,王腾,庞拂飞,曾祥龙. 基于模式选择耦合器的光纤模式可切换调Q激光器[J]. 中国激光, 2020, 47(12): 1201001

背景介绍

随着激光光场的应用拓展，在激光光场中引入偏振、相位自由度，实现新型结构光场是当前激光光场调控的发展趋势。近年来，基于全光纤结构产生新型结构光场受到广泛关注，通过对偏振和相位的调控可以产生带有偏振奇点的柱矢量光束、相位奇点的涡旋光束以及无衍射特点的贝塞尔光束，这些光场因其特殊的结构可为实际工程问题的解决提供新思路。

为了在全光纤激光器中实现模式切换，需要引入模式转换器。与大体积光纤组件和空间光器件相比，全光纤模式转换器具有体积小、稳定性强和扩展性好等优点，使得激光器的紧凑性和热稳定性均可得到提升。其中，模式选择耦合器（MSC）作为一种光纤模式转换器件，可以通过调控相位匹配条件实现基模到高阶模式的模式耦合，具有较宽的模式转换带宽、较低的插入损耗以及较高的模式纯度等优点。

近年来，基于MSC的多种高阶模式脉冲光纤激光器被相继报道，然而大多数本质上属于腔外模式转换，即光纤激光器的谐振腔内只有基模运转，高阶模式在腔外输出。此模式下的模式纯度会受到转换效率的限制，而且脉冲激光器输出的横模和波长单一，不能切换。

创新研究

针对以上问题，上海大学曾祥龙教授课题组提出将光纤模式转换器件和光纤激光技术相结合的思路，制备了横模可切换的调Q光纤激光器。通过腔内的高阶模式参与激光振荡，实现了可见光到近红外波段的高阶横模激光锁模技术，产生了具有不同空间偏振分布的柱矢量和涡旋光束，促进了高阶模式光纤激光器的进一步发展。

横模可切换的调Q掺铒光纤激光器结构如图1所示。将一个单模光纤布拉格光栅（SMF-FBG）和一个少模光纤布拉格光栅（FM-FBG）分别拼接在MSC两个分支的末端，用来选择激光的发射波长；通过偏振控制器(PCs)改变激光腔内的偏振相关损耗；MSC在激光腔中充当模式转换器和波束分离器；同时将基于碳纳米管的饱和吸收体(CNT-SA)插入激光腔内，实现了自启动调Q脉冲输出。该激光器可以实现输出波长在1530.5 nm和1535.5 nm切换，同时激光横模可以在LP01模式与LP11模式切换。

图1 横模可切换调Q掺铒光纤激光器实验装置图

实验结果如图2所示。由于MSC具有模式分离特性，通过FM-FBG与MSC的共同作用，激光器可以实现输出波长的选择以及不同横模间的转换。腔内激光在MSC和FM-FBG部分以LP11模式传输，而在MSC和SMF-FBG之间以LP01模式传输。由于FM-FBG具有模式相关的波长选择特点，输出的激光波长与LP11模式对应峰波长一致，即1532.15 nm，同时输出的横模为LP11模式。

图2 (a) 双激光输出光谱，插图为双波长下对应的模斑强度分布；(b)在双波长状态下不同泵浦功率下的调Q脉冲；(c) 径向偏振光的强度分布以及随起偏器偏振方向旋转后的模斑演化图

结论

相比于空间光路系统，利用光纤模式系统实现不同特性的光场调控，具有高灵活性和高稳定性，可解决实际应用中的技术瓶颈问题。同时，该研究拓展了MSC在激光横模可切换中的应用，同时为获得多种激光光场调控提供了一种全光纤的方案，也为高度集成化、一体化的激光器研究提供了一种全新的设计思路。

研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委项目和东方学者项目的资助。
 

作者简介：

上海大学曾祥龙教授课题组属于“特种光纤与光接入网”重点实验室，是省部共建国家重点实验室培养基地。曾祥龙教授现任上海市东方/东方跟踪学者（2013/2019）。2004年至2007年在日本东京大学任JSPS外国人特别研究员，2011年至2013年在丹麦科技大学光子工程系任副教授。获得欧盟“玛丽居里”学者、上海市“曙光”学者人才计划、上海大学优秀青年教师。从事非线性超快光学、特种光纤器件及其传感技术的研究。近年来，在Nanoscale, Optics Letters, Photonics Research, Nanophotonics, Applied Physics Letters, Optics Express等国际学术期刊上发表期刊论文60余篇。