一种双波长调Q 柱矢量光光纤激光器

王承鑫

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

随着激光技术的不断发展和它在人们生活应用中的不断扩展，研究者们不再满足于对常规激光光场的功率、振幅进行研究，而是越来越重视对激光光场的相位、偏振态调控方面的研究，并相继提出了涡旋光场、矢量光场等新型光场。早在1961 年，斯尼策就首次从理论上提出了矢量光场的概念[1]，其中柱矢量光（Cylindrical vector beam, CVB）是在柱坐标系下求解麦克斯韦方程组得到的特征解。它主要包括角向偏振光、径向偏振光和混合态偏振光三种。径向偏振光和角向偏振光在光束横截面上偏振态的方向分别沿着横截面上的半径方向和垂直于半径的切线方向。径向偏振光在大数值孔径透镜聚焦下，在焦点附近可以获得一个平行于光轴方向的强垂直偏振光场。这种独特的特性使得它在超分辨成像、材料的微纳加工、表面等离子体的激发、数据存储、光镊系统等 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 前 景[2，3]。1972 年，D.Pohl 和Y.Mushiake 等人在红宝石激光器和He-Ne 激光器中分别获得了角向和径向偏振光[4，5]。四十多年以来，陆续提出了许多方法来产生柱矢量光，总的来说，生成柱矢量光的方法主要分为主动生成法和被动生成法两种[6，-9]。主动法指的是在激光谐振腔内引入具有选模作用的特殊光学元件滤掉其他偏振模式，使激光器直接输出柱矢量光。另一种被动法，即在谐振腔外利用特殊光学元件通过偏振变换得到柱矢量光。主动生成法虽然产生柱矢量光的效率较高，但是欠缺灵活性；而被动生成法的优点是具有很强的灵活性，而缺点是转化效率不高。利用少模光纤的方法来生成柱矢量光是一种便捷有效的方法。通过求解普通阶跃光纤中波动方程的本征解，可以得到径向偏振光束和角向偏振光束分别对应的是LP11模式中的TE01模式和TM01模式。因此，首先利用少模光纤把光束从基模LP01模式激发到高阶简并模LP11模式，再通过一系列的偏振控制器件对它的几种模式进行选择性输出，就可以分别得到径向偏振光和角向偏振光的输出。

关于高功率输出的调Q 柱矢量激光器的报道很少。在这篇文章中，我们提出了一种使用全光纤技术得到双波长脉冲柱矢量光的方法。这种全光纤结构的设计大大减少了激光器的体积，使这种激光器在光学操纵和粒子捕获方面具有广泛的潜在应用。

1 耦合器结构设计

根据耦合模理论[10，11]，提出了一种3×3 模式转换耦合器，其装置如图1 所示。它是由两根单模光纤（两侧的SMF，芯/包层直径= 6.2 / 125 μm，NA = 0.14）和一根少模光纤（中间的FMF，芯/包层直径= 22.4 / 125 μm，NA =0.12）拉锥耦合而成。图中箭头表示的是光束的传，1 μm 的基模光束从端口1 进入耦合区域后，基模光被激发到高阶模式。残留的基模光从端口2 返回到1 μm 的谐振腔中，激发的高阶光从端口3 输出。同样地，1.5 μm 的基模光束从端口4 进入耦合区域，并且在耦合区域将基模光激发到高阶模式。残留的基模光从端口5 返回到1.5 μm 谐振腔中，激发的高阶光从端口6 输出。拉锥后SMF 和FMF 的光纤直径分别为15 μm 和20 μm，锥度的长度约为3 mm。

图1 具有3x3 端口的模式转换耦合器的示意图

最后将MWCNT 制成薄膜覆盖到拉锥光纤的锥区，利用多壁碳纳米管与双锥形微纳光纤的芯外倏逝场相互作用来实现调Q，形成的集成耦合元件称为可饱和吸收模式转换耦合器。

2 实验装置

双波长被动调Q 柱矢量光激光器的装置如图2 所示，激光器色谐振腔是由带有增益介质EDF（Er3+掺杂光纤）和YDF（Yb3+掺杂光纤）的两个子腔耦合而成。掺Er 激光腔由一个980 nm 激光二极管、一个980/1560 nm 波分复用器(WDM)、一段50 cm 的EDF（Er110-4/125、LⅠEKKⅠ）、两个偏振控制器（PC5 和PC6）、偏振无关隔离器(PⅠ-ⅠSO) 和10/90输出耦合器(OC) 组成。掺Yb 激光腔长度约为9 m，它是由一个980 nm 激光二极管、一个980/1060 nm 波分复用器(WDM)、一段60 cm 的YDF(Yb 1200-4/125,LⅠEKKⅠ)、两个偏振控制器（PC2 和PC3）组成、偏振无关隔离器(PⅠ-ⅠSO)和10/90 输出耦合器(OC)。两个激光腔由我们的制成的耦合器连接（如虚线框所示）。MWCNTs 的宽带可饱和吸收特性保证了激光器可以在1 μm 和1.5 μm 处形成稳定的调Q 脉冲，隔离器确保了光在谐振腔中的单向传输，图5 中的箭头分别表示光在两个激光腔中的传输方向，PC2 和PC5 用于调整激光腔内光脉冲的偏振态。从少模光纤输出端3 和4 输出的脉冲柱矢量光斑图像在经过一个光纤准直器聚焦后由CCD 摄像机（红外数字CMOS 摄像机）探测。

图2 光纤激光器的实验装置

3 实验结果分析

实验结果表明两个子腔可以独立运行。当掺Er 腔中的泵浦功率增加到100 mW 时，就会出现稳定的调Q 激光脉冲。泵浦功率达到240 mW 时脉冲序列的如图3 (a)所示。重复率为25.1 kHz，脉冲间隔为39.7 μs。如图3 (b)所示，光谱中心位于1560 nm，3 dB 带宽为2.2 nm。随着泵浦功率的增加，输出激光的重复频率线性增加（从5 kHz 到30 kHz），脉冲宽度逐渐减小，直到恒定值2.1 μs [见图3 (c)]；同时脉冲能量和峰值功率随着泵浦功率的增加而增加，直到泵浦功率达到240mW。当泵浦功率大于240mW 时，除了脉冲持续时间、脉冲能量和峰值功率几乎固定之外，由于MWCNTs 的饱和吸收，重复率仍将线性增加[见图3 (c) 和(d)]。

图3 掺Er 谐振腔的激光脉冲特性

图4 表示的是掺Yb 激光腔的激光输出特性，在160 mW 的泵浦功率下实现调Q, 图4 (a) 表示的是当泵浦功率为270 mW 时，output1 端口测得激光的脉冲序列。脉冲持续时间约为1.21 μs，脉冲间隔约为12.3 μs（对应于81.3 kHz 的重复频率）。泵浦功率为270 mW 时的输出频谱如图4 (b)所示。可以看出，激光波长为1036nm，3dB 带宽为0.9nm。当泵浦功率从160 mW 增加到300 mW 的过程中，脉冲序列的重复率显示出线性趋势（从40 kHz到110 kHz）。当泵浦功率达到 260 mW时，也会出现饱和效应。当泵浦功率达到300 mW 时，最小脉冲持续时间约为2.1 μs [图4 (d)]。

图4 掺Yb 谐振腔的激光脉冲特性

通过调节PC2 和PC5 可以控制输入到可饱和吸收模式转换耦合器的基模光的偏振状态，可以提高从基模到高阶模式的耦合效率。PC3 和PC6 用于过滤其他的偏振态，从而形成更高模式纯度的APB 和RPB 的输出。可以通过精确的调节PC2 和PC3 来获得1 μm 的角向偏振光束和径向偏振光束。图5 表示的是由CCD 相机检测到的1 μm 光脉冲的光斑强度分布。顶行和底行分别表示的是角向偏振和径向偏振矢量光束。为了确认模式，在CCD 和准直器之间插入了线性偏振片。随着线性偏振片的旋转，角向偏振光（APB）和径向偏振光（RPB）的两瓣光斑也将相应地旋转，因此，可以确认其为角向偏振光束和径向偏振光束。

图5 CVB 在1μm 处的强度分布

使用相同的方法，调节PC5 和PC6，可以获得高纯度1.5 μm 的RPB 和APB（见图6）。输出光斑的模式纯度可以通过弯曲法测得1 μm 和1.5 μm 的模式纯度分别为95%和92%。

图6 CVB 在1.5μm 处的强度分布

4 结论

本文设计并实现了一种基于少模光纤的双波长被动调Q 柱矢量光光纤激光器，获得了的波长在1 μm 和1.5 μm的高模式纯度的脉冲柱矢量光束。同时通过调节泵浦功率可以在一定范围内调节输出柱矢量脉冲激光的脉冲宽度，重复频率，峰值功率和单脉冲能量。得到的这种柱矢量光激光器在非线性光学，时空光学和超快光学中有潜在的应用。