[发明专利]一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器

说明书

本发明公开了一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、第一偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、涡旋增益光纤、第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振隔离器、第三偏振控制器和涡旋光纤。本发明基于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的信号光获得增益最大化，进而在非线性放大环形镜锁模技术下获得轨道角动量模式锁模激光输出。本发明基于8字腔内单一模式直接谐振机制，输出的轨道角动量模式锁模激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器。

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8字腔轨道角动量模式锁模光纤激光器。具有成本低、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。