一种用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器

本申请涉及激光，尤其是涉及一种用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器。

背景技术：

1、为了便于理解，本发明涉及的专业术语如下：

2、pd-iso:偏振无关隔离器(polarization dependent isolator)，偏振无关隔离器主要由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。起偏器可从入射到自身上的偏振混乱的光中选出与自身透光轴方向一致的线偏振光，检偏器是相对于起偏器来说的，其构造和作用与起偏器相同，旋光器由旋光性晶体材料和产生强度适当磁场的装置构成，借助磁光效应(法拉第效应)，使晶体偏振面发生一定程度的旋转。

3、pc:偏振控制器(polarization controller)，当偏振光在具有双折射性质的介质中传输时，由于o光和e光的传输速度不同，引起一光线相对另一光线产生相位推迟，从而引起光的偏振态发生改变。

4、cvb:柱矢量光束(cylindrical vector beam)

5、wdm:波分复用(wavelength division multiplexing)

6、smf:单模光纤(single mode fiber)

7、tmf:双模光纤(two mode fiber)

8、ydf:掺镱光纤(ytterbium-doped fiber)

9、近年来，基于自由空间的柱矢量光束(cvbs)引起了广泛的关注。由于其在振幅及偏振态分布上均具有轴对称性，包括径向偏振、角向偏振和混合偏振光束，在光学捕获、光通信、表面等离子体激元激发、电子加速、高分辨率计量和材料加工等领域具有广泛的应用前景。目前，在光纤中生成cvbs的方法有很多，如机械微弯光纤光栅、co2激光制备长周期光纤光栅、光纤熔融耦合器等。基于光纤的cvb生成方法由于其灵活性、与光纤通信系统的兼容性而显得更加理想。关于cvb产生的工作大多集中在掺铒光纤激光器的cvb输出上，而关于cvb掺镱光纤激光器的报道较少。

10、中国专利cn103424870b提出使用可调扩束镜、向外反射镜、双折射晶体圆锥体、向内反射组件和反射镜组成一种产生柱矢量光束的装置，这种装置具有装置参数设置复杂、结构不稳定，柱矢量光束纯度低，不能满足实际应用需求。

11、中国专利cn1588169a提出可调式矢量光束整形系统来产生柱矢量光束，此方法所需要必备的条件是系统入射光束需要为旋转矢量偏振光束的特殊形式，比如径向偏振光束或角向偏振光束，然而，径向偏振光束和角向偏振光束的产生也属于旋转矢量偏振光束产生范畴，无法实现非旋转矢量偏振光束转化为旋转矢量偏振光束，本质上决定无法实现非相干入射光束向旋转矢量偏振光束的转化过程，客观上很难产生柱矢量光束。

12、美国专利us2013177273(a1)提出一种基于多芯光纤生成柱矢量光束的方法，其工作原理是基于维持偏振椭圆磁芯的双折射特性，此方法具有设计复杂、结构不稳定的不足。

13、美国专利us7599069b2提出使用被动相位稳定光学器件产生柱矢量光束，此方法具有结构复杂、利用光学相干原理导致系统定位要求高、所需要的衍射光学元件不易获得、矢量光束偏振度低等不足。

14、综上所述，本发明为解决光束柱矢量模式难以分离、矢量模式与功率不稳定和矢量光束转化效率低的问题，提出了一种用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种产生柱矢量光束的锁模掺镱光纤激光器，以解决产生的光束柱矢量模式难以分离、矢量模式与功率不稳定和矢量光束转化效率低的问题，具有结构稳定、柱矢量光束纯度高与效率高等优点。

2、本发明的技术方案：

3、用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，包括泵浦光产生单元，其特征在于：泵浦光产生单元(100)发出的泵浦光射入由空间链路单元(200)、功能结构单元(300)和光束监测单元(400)构成的环形腔；

4、所述空间链路单元(200)，用于接收泵浦光产生单元所产生的泵浦光和经环形腔处理后的光，对两种光合束并后经过光纤向功能结构单元传输；

5、所述功能结构单元(300)，用于对光束进行相位调制，使其满足一定的相位关系；

6、所述光束监测单元(400)，用于对光束进行相位调整，以获得预设偏振分布的柱矢量光束，并通过光学器件进行监测显示。

7、所述泵浦光产生单元(100)是泵浦源，是一个激光二极管(10)。

8、所述空间链路单元(200)包括波分复用器(11)和掺镱光纤(12)，所述波分复用器(11)是为了将光源更好的耦合进光纤里面，减小传输损耗所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器所述掺镱光纤(12)是作为增益介质。

9、所述功能结构单元(300)包括第一偏振控制器(13)、一个偏振无关隔离器(14)、第二偏振控制器(15)和单模光纤(16)；其中第一偏振控制器(13)和第二偏振控制器(15)用于引起光的偏振态发生改变；偏振无关隔离器(14)让正向传输的光通过而隔离反向传输的光。

10、通过第一偏振控制器(13)和第二偏振控制器(15)调节环形腔的偏振状态，可以观察到稳定的锁模。

11、所述偏振无关隔离器(14)包括起偏器、检偏器和旋光器；其中，起偏器可从入射到自身上的偏振混乱的光中选出与自身透光轴方向一致的线偏振光；检偏器是相对于起偏器来说的，其构造和作用与起偏器相同；旋光器由旋光性晶体材料和产生强度适当磁场的装置构成，借助磁光效应使晶体偏振面发生一定程度的旋转。

12、所述光束监测单元(400)包括一个耦合器(17)和一个模式选择耦合器(18)，其中耦合器(17)用于实现功率分配。

13、在耦合器(17)和模式选择耦合器(18)之间的节点b处使用光谱分析仪(22)和示波器(23)测量激光的光谱和时间特性。

14、在模式选择耦合器(18)的输出端有一个节点c将光路分为两路，一路接入空间链路单元(200)，另一路接入第三偏振控制器(19)。

15、用ccd相机(21)通过光纤准直器(20)捕获第三偏振控制器(19)输出的光束轮廓。

16、与现有技术相比，本发明的优点如下：

17、(1)本发明装置具有结构稳定、柱矢量光束纯度高与效率高等优点，满足实用化应用需求。

18、(2)本发明装置连接简单，便于制备和实用化。

19、(3)本发明装置不受外界因素的影响，结构稳定，易于实现，能够提高生产效率，适合大规模生产。

技术特征：

1.一种用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，包括泵浦光产生单元，其特征在于：泵浦光产生单元(100)发出的泵浦光射入由空间链路单元(200)、功能结构单元(300)和光束监测单元(400)构成的环形腔；

2.根据权利要求1所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光产生单元(100)是泵浦源，是一个激光二极管(10)。

3.根据权利要求1所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于所述空间链路单元(200)包括：波分复用器(11)和掺镱光纤(12)，波分复用器(11)是为了将光源更好的耦合进光纤里面，减小传输损耗，掺镱光纤(12)是作为增益介质。

4.根据权利要求1所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：所述功能结构单元(300)包括第一偏振控制器(13)、一个偏振无关隔离器(14)、第二偏振控制器(15)和单模光纤(16)；其中第一偏振控制器(13)和第二偏振控制器(15)用于引起光的偏振态发生改变；偏振无关隔离器(14)让正向传输的光通过而隔离反向传输的光。

5.根据权利要求4所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：通过第一偏振控制器(13)和第二偏振控制器(15)调节环形腔的偏振状态，可以观察到稳定的锁模。

6.根据权利要求6所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：所述偏振无关隔离器(14)包括起偏器、检偏器和旋光器；其中，起偏器可从入射到自身上的偏振混乱的光中选出与自身透光轴方向一致的线偏振光；检偏器是相对于起偏器来说的，其构造和作用与起偏器相同；旋光器由旋光性晶体材料和产生强度适当磁场的装置构成，借助磁光效应使晶体偏振面发生一定程度的旋转。

7.根据权利要求1所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：所述光束监测单元(400)包括一个耦合器(17)和一个模式选择耦合器(18)，其中耦合器(17)用于实现功率分配。

8.根据权利要求7所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：在耦合器(17)和模式选择耦合器(18)之间的节点b处使用光谱分析仪(22)和示波器(23)测量激光的光谱和时间特性。

9.根据权利要求8所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：在模式选择耦合器(18)的输出端有一个节点c将光路分为两路，一路接入空间链路单元(200)，另一路接入第三偏振控制器(19)。

10.根据权利要求9所述用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，其特征在于：用ccd相机(21)通过光纤准直器(20)捕获第三偏振控制器(19)输出的光束轮廓。

技术总结
本发明提出了一种用于产生柱矢量光束的掺镱光纤激光器，激光器装置包括：泵浦光产生单元、空间链路单元、功能结构单元和光束监测单元。泵浦光产生单元用于产生泵浦光，并向空间链路单元发射所述泵浦光；空间链路单元用于接收所产生的泵浦光，对接收的泵浦光进行相关处理后经过光纤向功能结构单元传输；功能结构单元用于对所述待处理光线进行相位调制，满足一定的相位关系；光束监测单元用于对所述光束进行相位调整，以获得预设偏振分布的柱矢量光束，并通过光学器件进行监测显示。该光纤激光器实现了锁模掺镱光纤激光器产生柱矢量光束，具有结构稳定、产生光束纯度高和效率高等优点，在材料加工、非线性光学等领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：陈伟,刘丹丹,王廷云,黄素娟,张小贝,庞拂飞,牟成博,文建湘,董艳华
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14