完美的環狀光束：表面發射光纖激光器

2006年，Shapira等人提出了一種可沿著光纖表面徑向發射激光的新型光纖激光器。增益纖芯之外的包層構成了高質量的環形鏡，從而可在垂直光纖軸向的平面內產生激光。理論上激光應是柱對稱的，但利用軸向偏振光泵浦時由于柱狀諧振腔與增益介質的相互作用，激光具有各向異性的波前。

Stolyarov等人在Nature Photonics近期上的文章報道了此方面研究的重要進展：利用布拉格光纖獲得了各向同性的激光。在中空纖芯內填入的有機染料（若丹明590）摻雜的增益介質為角向各向同性。染料分子的快速重定位使增益介質對泵浦光的偏振不敏感，激光具有嚴格的柱狀波前且沿幅角方向有精確的偏振。此外，研究者在光纖包層中引入軸向液晶微通道陣列對輻射方向進行精確控制。有趣的是，沿光纖長度方向可移動增益介質到任何位置，這使得其具有很多潛在應用。

利用布拉格光纖產生光的諧振的激光系統與之前的系統大不相同。1978年，Yeh和Yariv把布拉格反射理論拓展到柱狀結構并預測多層環狀包層的光纖制作的可能，同時布拉格光纖也被首次提出。近幾年，基于布拉格光纖的高功率激光器的概念被提出，其可以自選模且在大芯徑時仍可單模運轉。

Stolyarov等人提出的新型光纖光源中對布拉格光纖的利用與以往不同，其多層環形布拉格腔鏡的反射具有雙重作用，使Nd∶YAG激光器產生的532nm的線偏振泵浦光沿軸向傳播同時染料摻雜區域的615nm的信號光沿徑向傳播。布拉格結構由35層交替相疊的As25S75與聚碳酸酯組合而成，纖芯為染料摻雜的80μm的增益介質。聚碳酸酯的外包層有負有碳棒的聚乙烯電極，通過改變電極上的電壓使通過液晶的激光的偏振狀態連續變化。

這種新型結構與薄片激光器在一些光學特性上很相似。每層處于激發態的增益介質與圓形的纖芯發射截面一起可看成發射激光的薄片。薄片中的光學諧振模式需要在柱對稱的邊界滿足麥克斯韋方程，其諧振腔通常可支持兩種諧振模式，一種為由m表示的幅角方向的模式，由于全內反射可認為其沿薄片內部傳播，這類似于圣保羅教堂的聲學效應。環向傳播的波需要滿足的周期性邊界條件使得有效腔長為2πR及c/2πR的頻率間隔，其中R為薄片的半徑，c為薄片介質中的光速。這種模式與薄片的中間部分交疊極小，當增益均勻分布時其對激光的特性僅有很小的影響，其產生也需要特殊的泵浦機制。當m=—1，0或者1時會產生另一種徑向傳播的模式。反射鏡與薄片中心構成諧振腔，有效往返腔長為2R。這種徑向振蕩模式的強度分布類似于水中的波紋。考慮高折射鏡情形，這些振蕩是具有c/2R頻率間隔的橫電模與橫磁模。薄片中橫磁模的產生需要很高的閾值增益，在增益對稱分布時，通常產生m=0時的橫電模，其遠場光束僅包含幅角方向的電場。

與薄片激光器不同的是，表面發射型光纖激光器中徑向模式并沒有消失。Stolyarov等人指出增益介質中的泵浦深度為100μm，這表明空間大部分柱狀區域中存在相干輻射，面發射的同相激光具有低的軸向發散角，估計在10mrad左右，與通常的單模光纖激光相比低一個數量級，這使得更大發射面積的激光器的發展成為可能。

Stolyarov等人的研究提供了新型的全光纖結構設計，可產生具有波長可拓展性和波前位置、方向、偏振可控的高度相干的環狀光束。但表面發射光纖激光器仍有許多待改進的方向，像連續波運轉、稀土摻雜介質的設計。這種新光源有很多應用，例如發光織品和發光藝術。醫學成像方面，應用到層析成像上它可以有效的替代點光源。生物與化學系統方面，其可用來探測氣體。在安全系統方面，比如具有任意光纖外形的紅外視野計，這種激光器同樣具有吸引力。

完美的環狀光束：表面發射光纖激光器

無論在基礎科學研究還是實際應用中，光纖激光器都有其獨特的應用。目前包括連續波、鎖模、調Q以及單頻設計在內的多種光纖諧振腔型使不同性能的激光器大大增多。這些激光器利用光纖的波導特性提高增益，產生高光束質量、低發散角的軸向光束。光纖的其他特性，如柱對稱結構、可靠通用的制作過程等還有待于在新型的光纖激光器中被充分利用。

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