阅读说明：本技术 一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器 (A kind of vortex light mode locked fiber laser based on four-wave mixing effect ) 是由 甘久林 衡小波 杨中民 张智深 林巍 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器,所述激光器包括单纵模激光源、波长可调谐激光源、第一光纤耦合器、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二光纤耦合器、第二偏振控制器和涡旋光纤。本发明基于四波混频效应,通过调谐注入激光频率和优化腔长,可充分保证锁模激光运转输出。基于涡旋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,使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光获得增益最大化,进而获得涡旋光锁模激光输出。本发明基于谐振腔内单一模式直接谐振机制,输出的涡旋光锁模激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。(The invention discloses a kind of vortex light mode locked fiber laser based on four-wave mixing effect, the laser includes single longitudinal mode laser source, wavelength-tunable laser source, the first fiber coupler, image intensifer, the first Polarization Controller, orbital angular momentum mode generator, the second fiber coupler, the second Polarization Controller and vortex optical fiber.The present invention is based on four-wave mixing effects, long by tuning injection laser frequency and optimization chamber, can fully ensure that mode-locked laser operating output.Modal cutoff and optimization design based on vortex optical fiber can ensure that specific rank orbital angular momentum mode is transmitted in resonant cavity with the generation of output end and stabilization using vortex optical fibre device.Based on same order mode pumping mechanism, so that the signal light of intracavitary same order orbital angular momentum mode obtains gain and maximizes, and then the output of vortex light mode-locked laser is obtained.The present invention is based on the direct resonance mechanism of single-mode in resonant cavity, the vortex light mode-locked laser of output has many advantages, such as mode purity height and good beam quality.)

一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器。

背景技术

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。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器。具有结构简单、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。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器，包括单纵模激光源、波长可调谐激光源、第一光纤耦合器、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二光纤耦合器、第二偏振控制器和涡旋光纤；

所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；

所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；

所述第二光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；

所述单纵模激光源连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述波长可调谐激光源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光放大器，所述光放大器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光放大器和轨道角动量模式产生器连接的光线上，所述轨道角动量模式产生器的第二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三端口与第四端口经涡旋光纤连接，所述第二偏振控制器施加在连接第三端口和第四端口的光纤上，所述第二光纤耦合器的第二端口输出涡旋光锁模激光。

本发明提供的轨道角动量模式锁模光纤激光器为环形腔结构，环形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，本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，进而实现实现轨道角动量模式在腔内稳定传输。单纵模激光源和波长可调谐激光源输出的基模光，通过第一光纤耦合器后合束为双波长基模光，再经过光放大器获得高功率双波长基模光。通过偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定的双波长轨道角动量模式光束。轨道角动量模式光经第二光纤耦合器进入由涡旋光纤构成的环形腔。通过调整波长可调谐激光源的输出波长和第二偏振控制器，可以在环形腔内实现轨道角动量模式直接谐振的多级级联四波混频过程。当波长可调谐激光源与单纵模激光源输出波长差与环形腔的波长间隔一致或整数倍时，则在第二光纤耦合器的第二端口输出涡旋光锁模激光。

优选地，所述单纵模激光源为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1MHz，单纵模运转。

优选地，所述波长可调谐激光源为半导体激光器或光纤激光器，波长调谐范围为100nm。

优选地，所述第一光纤耦合器为单模光纤与单模光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，第一端口和第二端口的分光比为50:50。

优选地，所述光放大器，选用高增益掺稀土离子光纤放大器或相应波段的半导体光放大器。

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，所述第二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、第二端口、第三端口和第四端口均采用涡旋光纤。

优选地，所述涡旋光纤选用支持轨道角动量模式稳定传输的阶跃折射率环芯光纤、梯度折射率环芯光纤、梯度折射率光纤或逆抛物线折射率光纤，传输的各矢量模式有效折射率差大于1×10^-4。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明基于同阶模式泵浦机制，利用特定阶轨道角动量模式泵浦光对谐振腔进行泵浦，使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光直接谐振，获得的激光模式纯度高，光束质量好；

2、本发明利用四波混频效应获得轨道角动量模式锁模激光，调控简单，输出激光脉冲稳定性好；

3、本发明采用全光纤结构，具有稳定性好，易于光纤系统集成等优点，提高了轨道角动量模式激光的实用性和可靠性。

附图说明

图1为实施例1中基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器的示意图。

图中，1-单纵模激光源、2-波长可调谐激光源、3-第一光纤耦合器、301-第一光纤耦合器第一端口、302-第一光纤耦合器第二端口、303-第一光纤耦合器第三端口、4-光放大器、5-第一偏振控制器、6-轨道角动量模式产生器、601-轨道角动量模式产生器第一端口、602-轨道角动量模式产生器第二端口、7-第二光纤耦合器、701-第二光纤耦合器第一端口、702-第二光纤耦合器第二端口、703-第二光纤耦合器第三端口、704-第二光纤耦合器第四端口、8-第二偏振控制器、9-涡旋光纤。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示为本实施例中的基于四波混频效应的涡旋光锁模光纤激光器，包括单纵模激光源1、波长可调谐激光源2、第一光纤耦合器3、光放大器4、第一偏振控制器5、轨道角动量模式产生器6、第二光纤耦合器7、第二偏振控制器8和涡旋光纤9。其中，第一光纤耦合器3具有第一端口301、第二端口302和第三端口303；轨道角动量模式产生器6具有第一端口601和第二端口602；第二光纤耦合器7具有第一端口701、第二端口702、第三端口703和第四端口704；单纵模激光源1连接至第一光纤耦合器2的第一端口201，波长可调谐激光源2连接至第一光纤耦合器3的第二端口302，第一光纤耦合器3的第三端口303连接至光放大器4，光放大器4连接至轨道角动量模式产生器6的第一端口601，第一偏振控制器5施加在光放大器4和轨道角动量模式产生器6连接的光纤上，轨道角动量模式产生器6的第二端口602连接至第二光纤耦合器7的第一端口701，第二光纤耦合器7的第三端口703与第四端口704经涡旋光纤9连接，第二偏振控制器8施加在连接第三端口703和第四端口704的涡旋光纤9上，所述第二光纤耦合器7的第二端口702输出涡旋光锁模激光。

在本实施例中，单纵模激光源1选用1550nm窄线宽光纤激光器，线宽为5kHz；波长可调谐激光源2选用可调谐光纤激光器，调谐范围为1500-1600nm；第一光纤耦合器3为单模光纤与单模光纤熔融拉锥制得的2×2耦合器，能够实现1550nm波段基模在单模光纤间耦合，第三端口303和第四端口304的分光比为50:50；光放大器4选用掺铒光纤放大器；轨道角动量模式产生器6选用熔融型光纤模式选择耦合器，由常规单模光纤与支持拓扑荷数为1的轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤熔融拉锥制得，熔融拉锥前根据单模光纤中HE11模式和梯度折射率光纤中HE21模式的相位匹配条件确定单模光纤和梯度折射率光纤的直径比，拉锥时在单模光纤中注入基模，当在梯度折射率光纤中观察到最大光功率以及圆环光斑时停止拉锥，即实现了单模光纤中的基模和梯度折射率光纤中拓扑荷数为1的轨道角动量模式间的定向选择耦合，模式转换效率为80%，模式纯度为90%，第一端口601为单模光纤，第二端口602为梯度折射率光纤；第二光纤耦合器7为梯度折射率光纤与梯度折射率光纤熔融拉锥制得的2×2耦合器，能够实现1550nm处拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第二端口702和第三端口703的分光比为90:10；涡旋光纤9选用支持1550nm波段拓扑荷数为1的轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤，传输的各矢量模式间的有效折射率差最小为1.5×10^-4，可以理解的是，本实施例中用到的梯度折射率光纤为同一种，在确保轨道角动量模式稳定传输时进一步减小光路中损耗。

在本实施例中，单纵模激光源1输出1550.13 nm的基模光，波长可调谐激光源2输出波长可调的基模光，通过第一光纤耦合器3合束为双波长基模光，再经过光放大器4获得1.5W的双波长基模光。通过第一偏振控制器5和轨道角动量模式产生器6，转换为拓扑荷数为1的双波长轨道角动量模式光。轨道角动量模式光经第二光纤耦合器7进入由涡旋光纤9构成的环形腔。通过调整波长可调谐激光源2的输出波长为1550.58nm和第二偏振控制器，在环形腔内实现轨道角动量模式直接谐振的多级级联四波混频过程，在第二光纤耦合器7的第二端口702输出涡旋光锁模激光。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。