基于模式选择耦合器的柱矢量光脉冲光纤激光器

牛峻峰,裴思琪,杨博义

(1.华北光电技术研究所,北京 100015；2.北京工业大学 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室,北京 100124；3.北京工业大学 激光工程研究院,北京 100124)

1 引 言

光是一种横波,偏振是其本质属性,表征了光波的矢量性。相较于常规的均匀偏振光,如线偏振、椭圆偏振、圆偏振等,柱矢量光(Cylindrical Vertex Beam,CVB)的特点在于其偏振态呈现圆对称分布,打破了空间分布上的一致性,属于非均匀偏振。由于其中心位置偏振方向存在不确定性,导致场强出现一个中心奇点。目前,在激光加工领域,尤其是针对航空应用中精密压力传感器硬、脆材料刻槽、发动机涡轮叶片打孔、燃烧室碳化硅复合材料打孔及刻槽等,采用传统的线偏振或圆偏振光源进行加工时,即使采用旋切打孔或改变激光入射角补偿锥角的方式,其入口截面仍然会产生最小6°～7°的加工锥角。单纯依靠优化外光路传输系统或激光加工头结构根本无法实现3°以内的锥角控制,因此对激光加工光源提出了更高的要求。

柱矢量光,包括TM01模和TE01模,具有轴对称的强度和偏振分布,强聚焦条件下会在平行于光轴的任意平面内形成一个独特且较强的局部纵向电场[1-2]。依托此特性,采用柱矢量光进行激光焊接或切割时可实现加工速度提高1.5～2倍[3-4],进行激光打孔时可获得高宽深比的直孔[5],进行微纳材料加工时可获得更优良的仿生表面结构[6]。因此,柱矢量激光加工具备更佳的质量和更高的效率[7],是解决以上加工锥角技术瓶颈和提升加工效率的一套有效方案。除此之外,柱矢量光用作高分辨光学成像系统[8-9]的光源时,可明显提高成像的空间分辨率。同时,超短脉冲、高峰值功率的TM01模,在强聚焦条件下会产生较大的光场梯度力和散射力,可用于粒子捕获和引导[10],乃至直接用于粒子加速[11-12],从而突破传统相干光场的经典衍射极限。

以上以激光加工为主的工程应用领域对高效、稳定的柱矢量激光器提出了迫切的研制需求,然而国内柱矢量激光技术的研究起步稍晚,全光纤的实现方式更多停留在科研论证阶段,距离工程应用仍然存在一定的差距。全光纤激光器与其他激光器相比,内部无空间耦合器件和化学物质,因此具备可靠性更高、稳定性更强、更安全、更易维护的优点,更加适合工程应用。

以TM01模和TE01模为代表的柱矢量光的产生,是突破传统光学衍射极限,开拓新型矢量光场调控和工程应用研究的关键技术之一,近二十年来一直是国内外研究的热点。采用传统空间结构获得柱矢量光的方式,主要是通过在固体或CO2激光器谐振腔内部插入特殊设计的锥形元件[13]、双折射元件[14]、干涉元件[15]、亚波长光栅[16]等实现高阶本征模式的直接振荡,或在谐振腔外插入偏振扭转元件[17]、轴向选模波导[18]等实现LP01模向高阶矢量模的转换,此类激光器可获得百瓦级以上的高功率输出,但普遍存在可靠性差、热管理差、系统庞大、光纤耦合难度高的应用短板,不利于工程化推广。相比之下,全光纤结构具有与生俱来的天然优势,可以实现激光器系统的长时间稳定工作,从而解决长期以来柱矢量光无法工程应用的难题。

2015年,德国汉诺威大学Pelegrina-Bonilla Gabriel团队[19]制作了一款基于SMF-FMF模式选择耦合器,耦合效率80 %,工作波长905 nm。2017年,南京邮电大学张祖兴团队[20]基于通讯波段SMF与TMF的非对称耦合结构,利用弱熔合技术制作模式选择耦合器,并搭建8字形锁模谐振腔,获得了中心波长1556.3 nm,光谱带宽3.2 nm,脉冲宽度17 ns的TM01模和TE01模输出,模式纯度分别为94.2 %和94.3 %,插入损耗0.65 dB。2018年,上海大学曾祥龙团队[21]采用实验室特制的1 μm波段的FMF设计了SMF-FMF非对称模式选择耦合器,并搭建SESAM被动锁模光纤激光器,获得了平均功率75 mW的LP01模输出,耦合效率89 %,中心波长1043 nm,3 dB光谱带宽14 nm,斜效率31 %。2020年,同课题组采用同款模式选择耦合器和非线性偏振旋转锁模技术,最终实现了波长1032～1040 nm可调,脉宽28.4～41.8 ps可调的TM01模输出[22]。2018年,西北工业大学毛东团队[23]研制了一款1.55 μm的SMF-FMF非对称模式选择耦合器,搭建了环形腔被动锁模激光器,获得了脉宽39.2/31.9 ps～5.6/5.2 ps时/空域可调的TM01模/TE01模输出。2019年,北京交通大学蒋友超团队[24]设计了一款结构型少模涡旋光纤,以该结构型涡旋光纤作为TMF,与常规SMF制作了模式选择耦合器,并搭建掺饵环形腔光纤激光器,获得了中心波长1550 nm、模式纯度94 %的TM01模输出。2019年,南京邮电大学张祖兴团队[25]采用完全相同的两根TMF研制了对称双模耦合器,搭建非线性偏振旋转(NPR)锁模环形光纤激光器,获得了中心波长1564.4 nm,脉宽2.552 ps,重频3.96 MHz,平均功率1 mW的TM01模输出,模式纯度91 %。结合模式选择耦合器的国内外现状,本文基于模式选择耦合器开发了一套柱矢量全光纤激光器的可行解决方案。

2 实验装置

本文采用腔外脉冲调制、MOPA光纤放大的全保偏结构,搭建了如图1所示的窄线宽线偏振单模运转脉冲光纤激光器。该激光器主要包括以下光学器件:窄线宽种子源(Narrow-Linewidth Seed,NL-Seed)、保偏光纤隔离器(Polarization-Maintaining optical fiber isolator,PM ISO)、980 nm单模泵浦源(Single-Mode Pump source at 980 nm,SM Pump@980 nm)、保偏波分复用器(Polarization-Maintaining Wavelength Division Multiplexing,PM WDM)、单模保偏掺镱光纤(Single-Mode Polarization-Maintaining Ytterbium-Doped Fiber,SM-PMYDF)、保偏带通滤波器(Polarization-Maintaining Band-Pass Filter,PM BPF)、模式选择耦合器(Mode Selective Coupler,MSC)等。

图1 窄线宽线偏振单模运转脉冲光纤激光器实验光路图Fig.1 Experimental scheme of narrow linewidth linearly polarized single-mode operating pulsed fiber laser

激光器采用前向纤芯泵浦的方式,将1064 nm的种子光和980 nm的泵浦光分别经PM WDM耦合进入SM-PMYDF中进行单级功率放大。增益光纤则选用Nufern PM-YSF-HI-HP系列的单包层单模保偏掺镱光纤,长度设置为1 m,其纤芯/包层直径为6/125 μm,纤芯吸收系数@975 nm为250 dBm/m。另外,PM BPF的中心波长为1064 nm,滤波带宽±0.2 nm,其作用是滤除放大过程中的正向ASE以及剩余泵浦光,从而获得高的光谱信噪比。NL-Seed和PM BPF后端分别设置PM-ISO1-2,目的是用于隔离其后端获得放大的反向ASE和信号光,从而保护前端器件不受损。然后在PM BPF1和PM ISO2之间插入电光强度调制器(Electro-Optic Intensity Modulator,EOIM),利用其光开关的作用效果,设置RIGOL DG1022任意信号发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)的各项参量如所示,用以驱动EOIM从而产生重复频率10 kHz,脉冲宽度小于10 ns的激光脉冲信号。然而,低的重复频率将导致激光功率的骤降,理论上通过EOIM调制后的脉冲信号仅有几个微瓦的强度,因此本文在腔外脉冲调制后增设了两级级联的纤芯泵浦放大器进一步提升功率。两级光纤放大器的光路设置与单级功率放大光路相同,区别仅在于新增两级放大器的增益光纤长度分别为0.9 m和1.2 m。

3 实验结果及分析

设置NL-Seed激光器的工作波长为1064 nm,设置SM Pump1@980 nm的输出功率为200 mW,AWG的工作参数如表1所示,实验中逐渐增大SM Pump2@980 nm和SM Pump3@980 nm的输出功率,先后测量PM ISO3和PM ISO4后的输出功率和强度分布,并绘制实验结果如图2所示。

表1 实验中AWG各参数列表Tab.1 List of parameters of AWG

图2 脉冲光纤激光器的输出功率随泵浦功率的变化关系Fig.2 Variation of output power of pulsed fiber laser with pump power

由此可见,窄线宽线偏振单模运转脉冲光纤激光器新增两级纤芯泵浦放大器的输出功率均与泵浦功率呈线性正相关,但是由于EOIM调制后极大的能量损耗,即便当SM Pump2@980 nm的输出功率增至250 mW时,PM ISO3后的脉冲输出功率也仅有420 mW。而当SM Pump3@980 nm的输出功率增至260 mW时,PM ISO4后的脉冲输出功率最高达31.8 mW,放大倍数18.79 dB,斜效率16.88 %。

同样,采用AvaSpec-2048光谱仪分别测量PM BPF3前、后端的输出光谱分布,结果如图3所示。光路中加入PM BPF3前,增益光纤中获得放大的既有1064 nm的种子光又有1030 nm附近的ASE光,输出尾端还残留未被完全吸收的980 nm的泵浦光,这主要是由于进入SM-PMYDF的脉冲信号光较弱,模式竞争优势不明显造成的。

图3 脉冲光纤激光器的输出光谱分布Fig.3 Output spectrum of pulsed fiber laser

最后,采用带宽200 MHz的光电探测器(Conquer,PR-200M3150)和带宽500 MHz的数字示波器(Tektronix,DPO4054B),测量PM BPF3后端最大脉冲功率输出时的时域分布特性,结果如图4所示。由图4(a)可知输出脉冲的周期为100 ns,重复频率为10 kHz,由图4(b)可知脉冲时间宽度为9.7 ns,与AWG的调制信号基本保持一致。

图4 脉冲光纤激光器的时域分布特性Fig.4 Time domain distribution of pulsed fiber laser

将窄线宽线偏振单模运转脉冲光纤激光器的基模脉冲信号光注入待测耦合器,测试MSC在脉冲工作方式下的各项技术参数,绘制结果如图5所示。由图5(a)可知,MSC的输出功率与注入的LP01模功率之间的作用规律与工作方式无关,脉冲工作方式下也成线性正相关,当注入的LP01模功率为31.8 mW时,FMF和SMF的输出功率分别达到最高的22.3 mW和4.4 mW。

图5 脉冲工作方式下MSC的技术参数测试Fig.5 Parameter test of MSC in pulsed operation

由图5(b)、(c)、(d)可知,脉冲工作时耦合器61.52 %的LP11模平均转换效率、70.12 %的平均分束比、小于0.7 dB的附加损耗和小于0.06 dB的功率稳定性。

图6描述了X和Y方向的LP11模纯度随注入待测耦合器的LP01模脉冲光功率的变化规律,两个方向上的平均模式纯度分别为99.64 %和99.61 %。

图6 脉冲工作方式下获得的LP11模纯度Fig.6 LP11 mode purity in pulsed operation

4 结 论

本文利用全保偏MOPA结构和腔外脉冲调制技术,搭建了窄线宽线偏振单模运转的脉冲光纤激光器,获得了平均功率31.8 mW的脉冲激光输出,后将其注入到MSC中,测得脉冲工作条件下LP11模的平均转换效率61.52 %、平均分束比70.12 %、附加损耗小于0.7 dB、10 min功率稳定性小于0.06 dB,X和Y方向上LP11模的平均模式纯度分别为99.64 %和99.61 %。