一种轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器
阅读说明：本技术 一种轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器 (Single longitudinal mode Brillouin fiber laser with orbital angular momentum mode direct resonance ) 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：本发明公开了一种轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器,所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、第一光纤环形器、第一光纤耦合器、第三偏振控制器、选频器和涡旋光纤。本发明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和谐振腔滤模效应,使得腔内同阶轨道角动量模式布里渊信号光直接谐振。通过选频器和控制腔长,使得腔内只有一个纵模起振,保证单纵模激光输出。本发明基于环形腔内单一模式直接谐振机制,输出的单纵模轨道角动量模式激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。(The invention discloses a single longitudinal mode Brillouin optical fiber laser with direct resonance in an orbital angular momentum mode. The invention is based on mode separation and optimization design of vortex optical fiber, and can ensure generation and stable transmission of a specific order orbital angular momentum mode in a resonant cavity and at an output end by adopting a vortex optical fiber device. Based on a same-order mode pumping mechanism and a resonant cavity filtering effect, the Brillouin signal light in the same-order orbital angular momentum mode in the cavity directly resonates. And only one longitudinal mode in the cavity is subjected to oscillation starting by the frequency selector and the length of the cavity, so that the single longitudinal mode laser output is ensured. Based on a single-mode direct resonance mechanism in the annular cavity, the output single-longitudinal-mode orbital angular momentum mode laser has the advantages of high mode purity, good beam quality and the like.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器。
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单色性、相干性、模式纯度和稳定性等方面提出了更高的要求。单频光纤激光器由于具有窄线宽、高单色性和相干性等优点可以满足这样的要求。同时，单频光纤激光器已成为密集波分复用光通信系统、相干光通信系统、分布式光纤传感系统和相干激光雷达等领域的重要激光光源。将单频激光和涡旋激光结合形成单频涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光单频光纤激光器具有十分重要的意义。
关于单频光纤激光器的研究有很多，专利CN109149330A公布了一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，采用超短线型腔架构实现噪声性能优异和线宽极窄的单频激光输出。专利CN106410599A公布了一种布里渊单纵模移频光纤激光器，利用复合腔的选模特性实现单纵模激光输出。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，上述专利公布的单频光纤激光器输出的为基横模单频激光，是不能直接产生涡旋光单频激光的。
在传统单频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是一种很容易想到的间接产生方案，也就是将基横模单频激光转换为轨道角动量模式单频激光。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式单频激光，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，输出激光的功率会随之降低，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，由传统单频光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式单频激光传输不稳定。因此，设计一种单频光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式单频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轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器。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：
一种轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、光放大器、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、第二偏振控制器、第一光纤环形器、第一光纤耦合器、第三偏振控制器、选频器和涡旋光纤；
所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；
所述第一光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口；
所述基模泵浦源经单模光纤连接至光放大器，所述光放大器经单模光纤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轨道角动量模式产生器第一端口的单模光纤上，所述轨道角动量模式产生器的第二端口经涡旋光纤连接至第一光纤环形器的第一端口，所述第二偏振控制器施加在第一光纤环形器第一端口的涡旋光纤上，所述第一光纤环形器的第二端口经涡旋光纤连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述第一光纤耦合器的第二端口经涡旋光纤连接至选频器的一端，所述第三偏振控制器施加在第一光纤耦合器第二端口的涡旋光纤上，所述选频器的另一端经涡旋光纤连接至第一光纤环形器的第三端口，所述第一光纤环形器、第一光纤耦合器和选频器经涡旋光纤连接构成环形腔，所述第一光纤耦合器的第三端口输出单纵模轨道角动量模式激光。
本发明提供的轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器为环形腔结构。基模泵浦源输出的基模泵浦光经过光放大器进行功率放大后，通过第一偏振控制器和轨道角动量模式产生器，转换为特定拓扑荷数的轨道角动量模式泵浦光。轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器后进入由第一光纤环形器、第一光纤耦合器和选频器经涡旋光纤连接构成环形腔，发生受激布里渊散射效应，在涡旋光纤中产生反向传输的轨道角动量模式布里渊信号光。轨道角动量模式布里渊信号光经过光纤环形器、选频器、第三偏振控制器和第一光纤耦合器在环形腔循环。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，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，进而实现轨道角动量模式在谐振腔内稳定传输。当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，轨道角动量模式布里渊信号光在环形腔内稳定存在并直接谐振放大。通过控制环形腔腔长和利用选频器的纵模选择特性，使得环形腔内只有一个纵模起振并形成激光出射。第一光纤耦合器的第三端口输出单纵模轨道角动量模式激光。
优选地，所述轨道角动量模式产生器为光纤型器件，具体地，可选用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，所述第一光纤环形器的第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
优选地，所述第一光纤耦合器组选用涡旋光纤与涡旋光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，第一端口、第二端口和第三端口均采用涡旋光纤。
优选地，所述选频器为π相移光栅、复合腔、法布里-珀罗（F-P腔）、萨格纳克(Sagnac)环、马赫-曾德尔滤波器或可饱和吸收体中的一种或多种组合。
优选地，所述谐振腔的腔长大于6m。
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。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明利用光纤型轨道角动量模式产生器和耦合器，作为泵浦模式转换器件和激光输出耦合器件，具有损耗小，效率高的优点；
2、本发明利用支持轨道角动量模式稳定传输的涡旋光纤连接构成环形腔，基于涡旋光纤中的布里渊非线性效应，实现轨道角动量模式腔内直接谐振放大，获得的激光模式纯度高，光束质量好；
3、本发明采用全光纤结构，具有结构简单，成本低，易于光纤系统集成等优点。
附图说明
图1为本发明提出的轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器的示意图。
图2为实施例1中利用复合腔技术选频的单纵模布里渊光纤激光器的示意图。
图3为实施例2中利用萨格纳克(Sagnac)环和可饱和吸收体组合技术选频的单纵模布里渊光纤激光器的示意图。
图中，1-基模泵浦源、2-光放大器、3-第一偏振控制器、4-轨道角动量模式产生器、401-轨道角动量模式产生器第一端口、402-轨道角动量模式产生器第二端口、5-第二偏振控制器、6-第一光纤环形器、601-第一光纤环形器第一端口、602-第一光纤环形器第二端口、603-第一光纤环形器第三端口、7-第一光纤耦合器、701-第一光纤耦合器第一端口、702-第一光纤耦合器第二端口、703-第一光纤耦合器第三端口、8-第三偏振控制器、9-选频器、10-涡旋光纤、11-第二光纤耦合器、1101-第二光纤耦合器第一端口、1102-第二光纤耦合器第二端口、1103-第二光纤耦合器第三端口、1104-第二光纤耦合器第四端口、12-光纤隔离器、13-第二光纤环形器、1301-第二光纤环形器第一端口、1302-第二光纤环形器第二端口、1303-第二光纤环形器第三端口、14-第三光纤耦合器、1401-第三光纤耦合器第一端口、1402-第三光纤耦合器第二端口、1403-第三光纤耦合器第三端口、15-掺铒涡旋光纤。
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所示为本本发明提出的轨道角动量模式直接谐振的单纵模布里渊光纤激光器的示意图，包括基模泵浦源1、光放大器2、第一偏振控制器3、轨道角动量模式产生器4、第二偏振控制器5、第一光纤环形器6、第一光纤耦合器7、第三偏振控制器8、选频器9和涡旋光纤10。其中，轨道角动量模式产生器4具有第一端口401和第二端口402；第一光纤环形器6具有第一端口601、第二端口602和第三端口603；第一光纤耦合器7具有第一端口701、第二端口702和第三端口703；基模泵浦源1经单模光纤连接至光放大器2，光放大器2经单模光纤连接至轨道角动量模式产生器4的第一端口401，第一偏振控制器3施加在轨道角动量模式产生器4第一端口401的单模光纤上，轨道角动量模式产生器4的第二端口402经涡旋光纤连接至第一光纤环形器6的第一端口601，第二偏振控制器5施加在第一光纤环形器6第一端口601的涡旋光纤上，第一光纤环形器6的第二端口602经涡旋光纤连接至第一光纤耦合器7的第一端口701，第一光纤耦合器7的第二端口702经涡旋光纤连接至选频器9的一端，第三偏振控制器8施加在第一光纤耦合器7第二端口702的涡旋光纤上，选频器9的另一端经涡旋光纤连接至第一光纤环形器6的第三端口603，第一光纤环形器6、第一光纤耦合器7和选频器9经涡旋光纤10连接构成第一环形腔，第一光纤耦合器7的第三端口703输出单纵模轨道角动量模式激光。
如图2所示为本实施例中利用复合腔技术选频的单纵模布里渊光纤激光器的示意图。在本实施例中，选频器9由第二光纤耦合器11和光纤隔离器12构成；第二光纤耦合器11具有第一端口1101、第二端口1102、第三端口1103和第四端口1104；光纤隔离器12用于单向导通防止反向谐振；第一光纤耦合器7的第二端口702经涡旋光纤连接至第二光纤耦合器11的第一端口1101，第二光纤耦合器11的第二端口1102经涡旋光纤连接至第一光纤环形器6的第三端口603，第二光纤耦合器11的第三端口1103经涡旋光纤连接至光纤隔离器的一端，光纤隔离器的另一端经涡旋光纤连接至第二光纤耦合器11的第四端口1104；第二光纤耦合器11和光纤隔离器经涡旋光纤连接构成第二环形腔。
更具体地，在本实施例中，基模泵浦源1选用1550nm光纤激光器；光放大器2选用掺铒光纤放大器；轨道角动量模式产生器4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401为单模光纤，第二端口402为梯度折射率光纤；第一光纤环形器6的第一端口601、第二端口602和第三端口603均为梯度折射率光纤，能够实现拓扑荷数为1的1550nm泵浦光高效率的注入进环形腔，同时拓扑荷数为1的1550nm波长附近的信号光低损耗通过；第一光纤耦合器7为梯度折射率光纤与梯度折射率光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，能够实现1550nm波长附近的拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第一端口701、第二端口702和第三端口703均为梯度折射率光纤，第二端口702和第三端口703的分光比为90:10；涡旋光纤10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；第二光纤耦合器11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波长附近的拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第一端口1101、第二端口1102、第三端口1103和第四端口1104均为梯度折射率光纤，第一端口1101和第三端口1103的分光比为50:50；由第一光纤环形器6、第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器11经梯度折射率光纤连接构成的第一环形腔的腔长为300m，由第二光纤耦合器11和光纤隔离器12经梯度折射率光纤连接构成的第二环形腔的腔长为4m。
在本实施例中，基模泵浦源1输出1550nm的基模泵浦光经过光放大器2进行功率放大后，通过第一偏振控制器3和轨道角动量模式产生器4，转换为拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光。拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器5后进入由光纤环形器6和光纤耦合器7经梯度折射率光纤连接构成环形腔，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的拓扑荷数为1的轨道角动量模式布里渊信号光。由于第二光纤耦合器11的分光作用，50%的轨道角动量模式布里渊信号光在第一环形腔循环，50%的轨道角动量模式布里渊信号光在第二环形腔循环。第一环形腔和第二环形腔构成复合腔，由支持轨道角动量模式稳定传输的梯度折射率光纤连接构成，当泵浦光功率超过复合腔中布里渊阈值时，轨道角动量模式布里渊信号光在复合腔内稳定存在并直接谐振放大。由于第一环形腔的腔长远大于第二环形腔的腔长，因此，基于游标效应，复合腔的腔纵模间隔基本等于第二环形腔的纵模间隔。而第二环形腔的腔长仅为m量级（小于5m），使得其腔纵模间隔大于布里渊增益谱的谱宽，从而在布里渊增益谱范围内有且只有一个纵模起振并形成激光出射，最终在第一光纤耦合器7的第三端口703输出单纵模轨道角动量模式激光。
实施例2
如图3所示为本实施例的利用萨格纳克(Sagnac)环和可饱和吸收体组合技术选频的单纵模布里渊光纤激光器的示意图。本实施例2的结构与实施例1基本相似，区别在于，本实施例2中的选频器9具体由第二光纤环形器13、第三光纤耦合器14和掺铒涡旋光纤15组成；第二光纤环形器13具有第一端口1301、第二端口1302和第三端口1303；第三光纤耦合器14具有第一端口1401、第二端口1402和第三端口1403；第二光纤环形器13的第一端口1301经涡旋光纤连接至第一光纤环形器6的第三端口603，第二光纤环形器13的第二端口1302经涡旋光纤连接至第三光纤耦合器14的第一端口1401，第二光纤环形器13的第三端口1303经涡旋光纤连接至第一光纤耦合器7的第二端口702，第三光纤耦合器14的第二端口1402经涡旋光纤连接至掺铒涡旋光纤15的一端，第三光纤耦合器14的第三端口1403连接至掺铒涡旋光纤15的另一端。
更具体地，本实施例2中的基模泵浦源1、光放大器2、轨道角动量模式产生器4、第一光纤环形器6、第一光纤耦合器7和涡旋光纤10的选用与实施例1一致。第二光纤环形器13的第一端口1301、第二端口1302和第三端口1303均为梯度折射率光纤，能够实现拓扑荷数为1的1550nm波长附近的信号光低损耗通过；第三光纤耦合器14为梯度折射率光纤与梯度折射率光纤熔融拉锥制得的1×2耦合器，能够实现1550nm波长附近的拓扑荷数为1的轨道角动量模式在梯度折射率光纤间耦合，第一端口1401、第二端口1402和第三端口1403均为梯度折射率光纤，第二端口1402和第三端口1403的分光比为50:50；由第一光纤环形器6、第一光纤耦合器7和第二光纤环形器13经梯度折射率光纤连接构成的第一环形腔的腔长为300m；掺铒涡旋光纤15为铒离子环形掺杂的梯度折射率光纤，长度为3m。
在本实施例中，基模泵浦源1输出1550nm的基模泵浦光经过光放大器2进行功率放大后，通过第一偏振控制器3和轨道角动量模式产生器4，转换为拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光。拓扑荷数为1的轨道角动量模式泵浦光经第二偏振控制器5后进入光纤环形器6，再进入涡旋光纤10中，发生受激布里渊散射效应，产生反向传输的拓扑荷数为1的轨道角动量模式布里渊信号光。轨道角动量模式布里渊信号光经第一环形器6和第二光纤环形器13进入第三光纤耦合器14，50%的轨道角动量模式布里渊信号光经第二端口1402进入掺铒涡旋光纤15，另外50%的轨道角动量模式布里渊信号光经第三端口1403进入掺铒涡旋光纤15。第三光纤耦合器14和未泵浦掺铒涡旋光纤15构成一个萨格纳克(Sagnac)环，起可饱和吸收体的作用，两个反向传输的轨道角动量模式布里渊信号光形成驻波，产生空间烧孔效应。空间烧孔效应诱导未泵浦的掺铒涡旋光纤15的折射率在空间上发生变化，形成一种超窄带自诱导光纤布拉格光栅，起到纵模选择的效果。最终在布里渊增益谱范围内有且只有一个纵模起振并形成激光出射，最终在第一光纤耦合器7的第三端口703输出单纵模轨道角动量模式激光。
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。