光學(xué)精密工程 | 波長可切換柱矢量光纖激光器

▎導(dǎo)讀

柱矢量光(Cylindrical Vector Beams，CVBs)是一種特殊的矢量偏振光,具有軸對稱偏振分布和環(huán)形模場分布的特性,因此廣泛應(yīng)用于表面等離子體激元激發(fā)，超分辨率成像，光學(xué)存儲、光學(xué)傳感、光通信、粒子加速、光學(xué)操縱和材料加工等領(lǐng)域。

CVBs可以通過自由空間光學(xué)器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在中心點產(chǎn)生接近于零的強度，如q板、渦旋相位板和空間光調(diào)制器等，這種方法需要考慮環(huán)境穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)的光路對齊，因此常用于空間光路。相比之下，通過光纖生成CVBs是一種緊湊且靈活的方法，如偏芯耦合、光子燈籠、長周期光柵、特種光纖、少模光纖光柵對和模式選擇耦合器等。其中，模式選擇耦合器選模是實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換最簡單的方法，可以獲得較高的模式純度，并且生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性強。為了實現(xiàn)高純度柱矢量光的輸出，近日，北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)半導(dǎo)體光電技術(shù)研究所王智勇研究員，劉學(xué)勝副研究員課題組在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“基于對稱雙模耦合器的波長可切換柱矢量光纖激光器”的封面文章。

▎對稱雙模耦合器獲得高純度柱矢量光   

柱矢量激光如圖1所示，具有軸對稱的強度和偏振分布，強聚焦時會在平行于光軸的任意平面內(nèi)形成一個獨特且較強的局部縱向電場，因此采用柱矢量激光加工可以獲得高深寬比的直孔，同時加工速度也會提高1.5-2倍，具備更佳的打孔質(zhì)量和更高的效率。2018年，本課題組[1]提出并搭建了基于液晶聚合物的納秒脈沖摻鐿主振蕩器功率放大（MOPA）系統(tǒng)，采用空間相位轉(zhuǎn)換法產(chǎn)生柱矢量光，實現(xiàn)了徑向偏振光輸出。模式選擇耦合器選模是實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換最簡單的方法，可以獲得較高的模式純度，并且生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性強。相比較連續(xù)的CVBs（Cylindrical Vector Beams, CVBs），脈沖CVBs具有高能量、高峰值功率，在金屬的微孔鉆削，電子加速等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。在此基礎(chǔ)上，我們提出一種全光纖方法產(chǎn)生CVBs，并將CVBs產(chǎn)生方法與鎖模技術(shù)相結(jié)合，旨在為高功率柱矢量光提供一套穩(wěn)定性強、成本低、技術(shù)簡單的皮秒種子源方案。

圖1：典型CVB：(a)TM01模；(b)TE01模；(c)廣義CVB

▎對稱雙模耦合器結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示，STMC（Symmetric Two Mode Coupler, STMC）由完全相同的兩根雙模光纖熔融拉錐制成，在錐區(qū)完成LP??模的激發(fā)，在耦合區(qū)完成LP??模的耦合輸出，實現(xiàn)基模向高階模轉(zhuǎn)換的功能。

圖2：STMC結(jié)構(gòu)及工作原理圖

入射光從光纖的Port 1端口進(jìn)入錐區(qū)后，光纖歸一化頻率隨著纖芯的變細(xì)而逐漸變小，使得越來越多的光滲入包層；進(jìn)入耦合區(qū)后，兩個光纖波導(dǎo)靠得很近時，由于倏逝場的作用，發(fā)生兩個波導(dǎo)間的能量交換；當(dāng)光進(jìn)入輸出端錐區(qū)后，歸一化頻率隨纖芯的變粗而逐漸增大，使光以特定比例從兩個輸出端輸出。

▎波導(dǎo)仿真

采用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）計算雙模光纖中LP??模和LP??模的有效折射率隨光纖直徑（包層直徑）的變化規(guī)律。采用兩根相同的雙模光纖進(jìn)行模擬，光纖中模式被束縛在纖芯中傳輸?shù)臈l件為模式的有效折射率在纖芯和包層之間；而當(dāng)模式的有效折射率小于包層折射率時，該模式會泄露到包層中。結(jié)果如圖3所示。

圖3：有效折射率隨光纖直徑的變化曲線

基于光束傳播法建立了對稱雙模耦合器的錐區(qū)三維波導(dǎo)模型，通過設(shè)定主要參數(shù)工作波長、錐區(qū)長度等，得到拉錐關(guān)鍵參數(shù)。圖4是能量流動仿真結(jié)果。

圖4：(a)TMF拉錐過程中LP??模縱向能量流動仿真模擬；(b)STMC的能量流動仿真結(jié)果

▎全光纖鎖模皮秒激光器輸出矢量光

結(jié)合非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)，搭建一套被動鎖模光纖激光器，將其注入對稱雙模耦合器中，實現(xiàn)了模式純度超過97%的柱矢量光的輸出。在CCD和偏振控制器之間加入線偏振片作為起偏器，隨著線偏振片的旋轉(zhuǎn)，可以分辨出TM??模和TE??模，圖5（a-j）顯示了徑向偏振光束和角向偏振光束的模場強度分布，以及它們通過不同方向的線性偏振器后的模場強度分布。

圖5：輸出光模場強度分布特性：(a)TM??模；(b-e)TM??模通過不同方向的線偏振片后的模場強度分布；(f)TE??模；(g-j)TE??模通過不同方向的線偏振片后的模場強度分布

▎工程應(yīng)用場景

本文采用全光纖產(chǎn)生CVBs，基于理論分析以及模式耦合機理，采用兩根相同的雙模光纖設(shè)計并制作了一款1 μm波段可實現(xiàn)LP??模向LP??模高純度轉(zhuǎn)換的STMC，并用于波長可切換的被動鎖模全光纖激光器產(chǎn)生脈沖CVBs。該方法相比于傳統(tǒng)的非對稱模式選擇耦合器免去了制作過程中的預(yù)拉錐工藝，最大限度地簡化了耦合器的制作成本與制造工藝，在工程應(yīng)用中具有廣闊前景。

▎團(tuán)隊介紹

北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)半導(dǎo)體光電技術(shù)研究所王智勇研究員，劉學(xué)勝副研究員課題組研究領(lǐng)域包括先進(jìn)光纖激光器、全固態(tài)激光器、超快激光器及其在工業(yè)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。先后承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃項目、北京市自然科學(xué)基金面上項目、北京市教委項目及國內(nèi)大型企業(yè)、科研院所委托科研課題等40余項。培養(yǎng)的研究生多次獲得研究生國家獎學(xué)金、校優(yōu)秀碩士畢業(yè)論文、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、校科技創(chuàng)新一等獎等科技獎勵。在Optics Express, Optics and Laser Technology, IEEE Photonics Journal，Applied Sciences-Basel, Chinese Optics Letters等國內(nèi)外知名期刊上發(fā)表論文40余篇，授權(quán)專利10余項。

▎論文信息

裴思琪,張?zhí)煊?張昆等.基于對稱雙模耦合器的波長可切換柱矢量光纖激光器[J].光學(xué)精密工程,2023,31(23):3395-3404. DOI：10.37188/OPE.20233123.3395.

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20233123.3395/

▎參考文獻(xiàn)

[1] 賈文增,劉學(xué)勝,王智勇等.基于LCP徑向偏振光輸出的摻鐿MOPA脈沖光纖激光器[J].光學(xué)精密工程, 2020, 28(05):997-1004. 

JIA WZ, LIU XS SI HY, et al.. Yb-doped fiber MOPA system with radially polarized output beam based on LCP vortex retarder[J]. Opt, Precision Eng., 2020, 28(05):997-1004. .(in Chinese)