環形光束“雙”切換—光纖中的新型激光光場調控方法

更新時間：2025-06-23

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　　隨著激光光場的應用拓展，在激光光場中引入偏振、相位自由度，實現新型結構光場是當前激光光場調控的發展趨勢。近年來，基于全光纖結構產生新型結構光場受到廣泛關注，通過對偏振和相位的調控可以產生帶有偏振奇點的柱矢量光束、相位奇點的渦旋光束以及無衍射特點的貝塞爾光束，這些光場因其特殊的結構可為實際工程問題的解決提供新思路。

　　為了在全光纖激光器中實現模式切換，需要引入模式轉換器。與大體積光纖組件和空間光器件相比，全光纖模式轉換器具有體積小、穩定性強和擴展性好等優點，使得激光器的緊湊性和熱穩定性均可得到提升。其中，模式選擇耦合器(MSC)作為一種光纖模式轉換器件，可以通過調控相位匹配條件實現基模到高階模式的模式耦合，具有較寬的模式轉換帶寬、較低的插入損耗以及較高的模式純度等優點。

　　近年來，基于MSC的多種高階模式脈沖光纖激光器被相繼報道，然而大多數本質上屬于腔外模式轉換，即光纖激光器的諧振腔內只有基模運轉，高階模式在腔外輸出。此模式下的模式純度會受到轉換效率的限制，而且脈沖激光器輸出的橫模和波長單一，不能切換。

　　創新研究

　　針對以上問題，上海大學曾祥龍教授課題組提出將光纖模式轉換器件和光纖激光技術相結合的思路，制備了橫模可切換的調Q光纖激光器。通過腔內的高階模式參與激光振蕩，實現了可見光到近紅外波段的高階橫模激光鎖模技術，產生了具有不同空間偏振分布的柱矢量和渦旋光束，促進了高階模式光纖激光器的進一步發展。

　　橫模可切換的調Q摻鉺光纖激光器結構如圖1所示。將一個單模光纖布拉格光柵(SMF-FBG)和一個少模光纖布拉格光柵(FM-FBG)分別拼接在MSC兩個分支的末端，用來選擇激光的發射波長;通過偏振控制器(PCs)改變激光腔內的偏振相關損耗;MSC在激光腔中充當模式轉換器和波束分離器;同時將基于碳納米管的飽和吸收體(CNT-SA)插入激光腔內，實現了自啟動調Q脈沖輸出。該激光器可以實現輸出波長在1530.5 nm和1535.5 nm切換，同時激光橫模可以在LP01模式與LP11模式切換。

　　圖1 橫模可切換調Q摻鉺光纖激光器實驗裝置圖

　　實驗結果如圖2所示。由于MSC具有模式分離特性，通過FM-FBG與MSC的共同作用，激光器可以實現輸出波長的選擇以及不同橫模間的轉換。腔內激光在MSC和FM-FBG部分以LP11模式傳輸，而在MSC和SMF-FBG之間以LP01模式傳輸。由于FM-FBG具有模式相關的波長選擇特點，輸出的激光波長與LP11模式對應峰波長一致，即1532.15 nm，同時輸出的橫模為LP11模式。

　　圖2 (a) 雙激光輸出光譜，插圖為雙波長下對應的模斑強度分布;(b)在雙波長狀態下不同泵浦功率下的調Q脈沖;(c) 徑向偏振光的強度分布以及隨起偏器偏振方向旋轉后的模斑演化圖

　　結論

　　相比于空間光路系統，利用光纖模式系統實現不同特性的光場調控，具有高靈活性和高穩定性，可解決實際應用中的技術瓶頸問題。同時，該研究拓展了MSC在激光橫模可切換中的應用，同時為獲得多種激光光場調控提供了一種全光纖的方案，也為高度集成化、一體化的激光器研究提供了一種全新的設計思路。

　　研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委項目和東方學者項目的資助。

　　參考文獻：中國光學期刊網

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