一种平坦多波长矢量涡旋光纤激光器

技术领域

本发明属于激光器领域，具体涉及一种平坦多波长矢量涡旋光纤激光器。

背景技术

矢量涡旋光束由于其特殊的轴对称偏振分布，在激光加工，粒子捕获，高分辨成像，光通信等领域有特殊的优势。根据其偏振分布可以分为径向矢量涡旋光束，角向矢量涡旋光束和混合矢量涡旋光束。由于存在偏振奇点，矢量涡旋光束的光强呈环形分布。多波长矢量涡旋光束，实现了多个波长矢量涡旋光束的同时产生，在光通信，高分辨成像等领域有潜在的应用。

目前所报道多波长矢量涡旋光纤激光器大多只具有几个波长数目，并且都具有很差的功率平坦度，这对很多应用都是十分不利的。再加上使用干涉型滤波器用于多个波长的起振，以及掺铒光纤强的模式竞争，所报道的多波长矢量涡旋光纤激光器的稳定性还有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中所描述的问题，提出一种平坦多波长矢量涡旋光纤激光器，用于产生平坦的、稳定的多波长矢量涡旋光束，并且由于少模长周期光纤光栅宽带高效的转换效率，实现高纯度的多波长矢量涡旋光束输出。

本发明解决其技术问题的技术方案为：

一种平坦多波长矢量涡旋光纤激光器，包括第一注入种子源、第二注入种子源、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、射频驱动信号、相位调制器、少模长周期光纤光栅、部分反射镜、光纤延迟器、光纤环形器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第一光纤耦合器，第二光纤耦合器；

所述第一注入种子源和第二注入种子源分别通过第一光纤耦合器和第二光纤耦合器注入到再循环频移光纤环腔；所述泵浦源与波分复用器相连，连接掺铒光纤的一端，为掺铒光纤提供泵浦能量以实现多波长的同时起振；所述掺铒光纤的另一端和相位调制器的输入端相连，通过吸收泵浦光为平坦多波长矢量涡旋光纤激光器提供增益；射频驱动信号通过射频连接线与相位调制器的电极相连，为其提供正弦驱动信号；所述相位调制器的输出端口与光纤环形器的第一端口相连；光纤环形器的第二端口与少模长周期光纤光栅通过对芯熔接的方式相连；少模长周期光纤光栅将少模光纤中的LP

进一步地，所述第一、第二注入种子源为波长可调谐窄线宽半导体激光器；当注入波长为再循环频移光纤环腔的一个谐振波长时，实现种子光的多次放大和调制。

进一步地，所述泵浦源为980nm半导体泵浦激光器。

进一步地，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器，将所述泵浦光复用到再循环频移光纤环腔，为所述的掺铒光纤提供泵浦光。

进一步地，所述射频驱动信号为所述相位调制器提供正弦驱动信号，连续光在正弦驱动信号的调制下产生多个子谐波，用于抑制掺铒光纤的模式竞争，以实现多波长的产生。

进一步地，所述相位调制器为铌酸锂电光调制器，在所述射频驱动信号的调制下产生子谐波，用于抑制所述掺铒光纤中的模式竞争。

进一步地，所述少模长周期光纤光栅为刻写在两模光纤上的长周期光纤光栅，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器用于控制输入和输出光束的偏振状态；当光栅周期在输出波长处满足相位匹配条件时，将光纤中的LP

进一步地，所述部分反射镜是通过在两模光纤的垂直端面上镀金属薄膜制作而成，其中一部分光透过部分反射镜作为激光器的输出，另一部分被反射回再循环频移光纤环腔构成完整的回路；

所述光纤延迟器用于调节再循环频移光纤环腔的长度，通过调节再循环频移光纤环腔的长度，使再循环频移光纤环腔的自由频谱宽度和所述射频驱动信号的频率相匹配，从而使调制产生的子谐波稳定地在再循环频移光纤环腔中存在。

进一步地，所述光纤环形器为3端口光纤环形器，将所述少模长周期光纤光栅连接到再循环频移光纤环腔中，同时也保证了再循环频移光纤环腔的单向运转；

所述第一、第二、第三偏振控制器为三环偏振控制器，用于调整光纤环腔中光束的偏振方向使所述相位调制的调制效率最大，以及输入和输出所述少模长周期光纤光栅光束的偏振方向，选择性的输出矢量涡旋光束；

所述第一、第二光纤耦合器为3dB光纤耦合器，将所述第一、第二注入种子源发出的种子光耦合进再循环频移光纤环腔。

进一步地，同步条件为：在第一、第二注入种子源的频率为再循环频移光纤环腔的谐振频率，以及再循环频移光纤环腔的自由频谱宽度是射频驱动信号的整数倍时，外部注入的种子光以及相位调制器调制产生的子谐波在再循环频移光纤环腔中稳定存在；

当只有第一注入种子源和第二注入种子源之一注入并且满足以上同步条件时，经过多次放大和调制后会形成三角形的光谱包络，通过改变第一或第二注入种子源之一的功率和泵浦功率改变三角包络的斜率；三角光谱包络的斜率随着第一或第二注入种子源之一的功率的提高而增加，随着入射功率的提高而降低；

当注入第一注入种子源和第二注入种子源两者时，会在光谱上形成两个三角包络，通过调节第一注入种子源和第二注入种子源两者的波长间隔、注入功率和泵浦功率使两三角包络相互补充，从而在第一注入种子源和第二注入种子源两者的波长之间产生平坦的多波长输出；由于少模长周期光纤光栅宽谱的转化特性，再结合对少模长周期光纤光栅两边第一、第二偏振控制器的调控实现高纯度的多波长矢量光束输出。

有益效果：

本发明中利用少模长周期光纤光栅作为模式转换器件，得益于少模长周期光纤光栅的宽谱转换特性，实现了高纯度的多波长矢量涡旋光束的产生。在注入种子源的频率为再循环频移光纤环腔的谐振频率，以及再循环频移光纤环腔的自由频谱宽度是射频驱动信号的整数倍时，外部注入的种子光以及相位调制器调制产生的子谐波可以在再循环频移光纤环腔中稳定存在。当单个波长的种子光注入时，在掺铒光纤和相位调制器共同作用下会产生三角包络的光谱。当两个波长的种子光注入时，就会在光谱上产生两个三角包络。通过调节注入波长的间隔、注入功率和泵浦功率可以使两个三角包络相互补充，进而在两个注入波长间产生平坦的多波长输出。由于没有使用干涉型滤波器，输出的多波长矢量涡旋光束具有很好的稳定性。

附图说明

下面将对所提出的实施例中所使用的附图作简要地介绍，以便更清楚地说明本发明实施例的技术方案，显然，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的平坦多波长矢量涡旋光纤激光器的结构示意图。

图2为本发明示例性的单个种子源注入时输出光谱随注入功率和泵浦功率的变化图；其中(a)是注入功率为0.5mW，泵浦功率为91.34mW时的光谱图，(b)是注入功率为1.5mW，泵浦功率为91.34mW时的光谱图，(c)是注入功率为2.5mW，泵浦功率为91.34mW时的光谱图，(d)是注入功率为4.3mW，泵浦功率为51.6mW时的光谱图，(e)是注入功率为4.3mW，泵浦功率为91.3mW时的光谱图，(f)是注入功率为4.3mW，泵浦功率为172.5mW时的光谱图；

图3为本发明示例性的两个种子源注入时在注入波长间产生的平坦多波长的光谱图。

图4为本发明示例性的产生的多波长矢量涡旋光的光强分布以及偏振检测图。

具体实施方式

下面参照实施例中附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的描述。

如图1所示，本发明的一种平坦多波长矢量涡旋光纤激光器包括第一注入种子源1、第二注入种子源2、泵浦源3、波分复用器4、掺铒光纤5、射频驱动信号6、相位调制器7、光纤环形器8、第一偏振控制器9、少模长周期光纤光栅10、第二偏振控制器11、部分反射镜12、第三偏振控制器13、光纤延迟器14、第一光纤耦合器15、第二光纤耦合器16。第一注入种子源1和第二注入种子源2分别通过第一光纤耦合器15和第二光纤耦合器16注入到再循环频移光纤环腔。泵浦源3与波分复用器4相连，连接掺铒光纤5的一端，为掺铒光纤5提供泵浦能量。掺铒光纤5的另一端和相位调制器7的输入端相连。射频驱动信号6通过射频连接线与相位调制器7的电极相连，为其提供正弦驱动信号。相位调制器7的输出端口与光纤环形器8的第一端口相连。光纤环形器8的第二端口与少模长周期光纤光栅10通过对芯熔接的方式相连。少模长周期光纤光栅10将少模光纤中的LP

平坦多波长矢量涡旋光纤激光器的同步条件是：注入种子源的频率是再循环频移光纤环腔的谐振频率之一，并且再循环频移光纤环腔的自由频谱宽度是射频驱动信号的整数倍。当满足同步条件时，外部注入的种子光以及相位调制器调制产生的子谐波才能在再循环频移光纤环腔中稳定存在。通过改变注入种子源的波长可以使入射频率为再循环频移光纤环腔的谐振频率。通过调节光纤延迟器可以改变再循环频移光纤环腔的长度，从而使再循环频移光纤环腔的自由频谱宽度是射频驱动信号的整数倍。

当只有一个种子源注入并且满足同步条件时，经过多次放大和调制后会形成三角形的光谱包络，通过改变注入种子源的功率和泵浦功率可以改变三角包络的斜率。图2的(a)，(b)，(c)是泵浦功率为91.34mW，注入功率分别为0.5mW、1.5mW和2.5mW时的光谱图，三角光谱包络的斜率随着注入种子源功率的提高而增加。图2的(d)，(e)，(f)是注入功率为4.3mW，泵浦功率分别为51.6mW、91.3mW和172.5mW时的光谱图，三角光谱包络的斜率随着入射功率的提高而降低。当注入两个种子源时，会在光谱上形成两个三角包络，通过调节两注入种子源的波长间隔、注入功率和泵浦功率可以使两三角包络相互补充，从而在两个注入波长之间产生平坦的多波长输出，如图3所示。由于少模长周期光纤光栅宽谱的转化特性，再加上对少模长周期光纤光栅两边偏振控制器的仔细调控可以实现高纯度的多波长矢量光束输出。图4为角向和径向矢量涡旋光束的强度图，为了验证光束的偏振分布，采集矢量涡旋光束通过线偏振片后的光强分布，偏振片的起偏方向用白色箭头标记，与理论结果相符。

本发明的创新之处在于：采用了少模长周期光纤光栅作为宽带模式转换器件实现了高纯度的矢量涡旋光束的产生，使用再循环频移光纤环腔抑制了掺铒光纤的模式竞争，实现了多波长起振，并通过外部注入两个种子光产生相互补充的三角光谱包络，在注入波长之间实现了平坦的多波长矢量涡旋光束的产生。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。