基于模式選擇耦合器的柱矢量光脈沖光纖激光器

牛峻峰,裴思琪,楊博義

(1.華北光電技術研究所,北京 100015；2.北京工業大學 跨尺度激光成型制造技術教育部重點實驗室,北京 100124；3.北京工業大學 激光工程研究院,北京 100124)

1 引 言

光是一種橫波,偏振是其本質屬性,表征了光波的矢量性。相較于常規的均勻偏振光,如線偏振、橢圓偏振、圓偏振等,柱矢量光(Cylindrical Vertex Beam,CVB)的特點在于其偏振態呈現圓對稱分布,打破了空間分布上的一致性,屬于非均勻偏振。由于其中心位置偏振方向存在不確定性,導致場強出現一個中心奇點。目前,在激光加工領域,尤其是針對航空應用中精密壓力傳感器硬、脆材料刻槽、發動機渦輪葉片打孔、燃燒室碳化硅復合材料打孔及刻槽等,采用傳統的線偏振或圓偏振光源進行加工時,即使采用旋切打孔或改變激光入射角補償錐角的方式,其入口截面仍然會產生最小6°～7°的加工錐角。單純依靠優化外光路傳輸系統或激光加工頭結構根本無法實現3°以內的錐角控制,因此對激光加工光源提出了更高的要求。

柱矢量光,包括TM01模和TE01模,具有軸對稱的強度和偏振分布,強聚焦條件下會在平行于光軸的任意平面內形成一個獨特且較強的局部縱向電場[1-2]。依托此特性,采用柱矢量光進行激光焊接或切割時可實現加工速度提高1.5～2倍[3-4],進行激光打孔時可獲得高寬深比的直孔[5],進行微納材料加工時可獲得更優良的仿生表面結構[6]。因此,柱矢量激光加工具備更佳的質量和更高的效率[7],是解決以上加工錐角技術瓶頸和提升加工效率的一套有效方案。除此之外,柱矢量光用作高分辨光學成像系統[8-9]的光源時,可明顯提高成像的空間分辨率。同時,超短脈沖、高峰值功率的TM01模,在強聚焦條件下會產生較大的光場梯度力和散射力,可用于粒子捕獲和引導[10],乃至直接用于粒子加速[11-12],從而突破傳統相干光場的經典衍射極限。

以上以激光加工為主的工程應用領域對高效、穩定的柱矢量激光器提出了迫切的研制需求,然而國內柱矢量激光技術的研究起步稍晚,全光纖的實現方式更多停留在科研論證階段,距離工程應用仍然存在一定的差距。全光纖激光器與其他激光器相比,內部無空間耦合器件和化學物質,因此具備可靠性更高、穩定性更強、更安全、更易維護的優點,更加適合工程應用。

以TM01模和TE01模為代表的柱矢量光的產生,是突破傳統光學衍射極限,開拓新型矢量光場調控和工程應用研究的關鍵技術之一,近二十年來一直是國內外研究的熱點。采用傳統空間結構獲得柱矢量光的方式,主要是通過在固體或CO2激光器諧振腔內部插入特殊設計的錐形元件[13]、雙折射元件[14]、干涉元件[15]、亞波長光柵[16]等實現高階本征模式的直接振蕩,或在諧振腔外插入偏振扭轉元件[17]、軸向選模波導[18]等實現LP01模向高階矢量模的轉換,此類激光器可獲得百瓦級以上的高功率輸出,但普遍存在可靠性差、熱管理差、系統龐大、光纖耦合難度高的應用短板,不利于工程化推廣。相比之下,全光纖結構具有與生俱來的天然優勢,可以實現激光器系統的長時間穩定工作,從而解決長期以來柱矢量光無法工程應用的難題。

2015年,德國漢諾威大學Pelegrina-Bonilla Gabriel團隊[19]制作了一款基于SMF-FMF模式選擇耦合器,耦合效率80 %,工作波長905 nm。2017年,南京郵電大學張祖興團隊[20]基于通訊波段SMF與TMF的非對稱耦合結構,利用弱熔合技術制作模式選擇耦合器,并搭建8字形鎖模諧振腔,獲得了中心波長1556.3 nm,光譜帶寬3.2 nm,脈沖寬度17 ns的TM01模和TE01模輸出,模式純度分別為94.2 %和94.3 %,插入損耗0.65 dB。2018年,上海大學曾祥龍團隊[21]采用實驗室特制的1 μm波段的FMF設計了SMF-FMF非對稱模式選擇耦合器,并搭建SESAM被動鎖模光纖激光器,獲得了平均功率75 mW的LP01模輸出,耦合效率89 %,中心波長1043 nm,3 dB光譜帶寬14 nm,斜效率31 %。2020年,同課題組采用同款模式選擇耦合器和非線性偏振旋轉鎖模技術,最終實現了波長1032～1040 nm可調,脈寬28.4～41.8 ps可調的TM01模輸出[22]。2018年,西北工業大學毛東團隊[23]研制了一款1.55 μm的SMF-FMF非對稱模式選擇耦合器,搭建了環形腔被動鎖模激光器,獲得了脈寬39.2/31.9 ps～5.6/5.2 ps時/空域可調的TM01模/TE01模輸出。2019年,北京交通大學蔣友超團隊[24]設計了一款結構型少模渦旋光纖,以該結構型渦旋光纖作為TMF,與常規SMF制作了模式選擇耦合器,并搭建摻餌環形腔光纖激光器,獲得了中心波長1550 nm、模式純度94 %的TM01模輸出。2019年,南京郵電大學張祖興團隊[25]采用完全相同的兩根TMF研制了對稱雙模耦合器,搭建非線性偏振旋轉(NPR)鎖模環形光纖激光器,獲得了中心波長1564.4 nm,脈寬2.552 ps,重頻3.96 MHz,平均功率1 mW的TM01模輸出,模式純度91 %。結合模式選擇耦合器的國內外現狀,本文基于模式選擇耦合器開發了一套柱矢量全光纖激光器的可行解決方案。

2 實驗裝置

本文采用腔外脈沖調制、MOPA光纖放大的全保偏結構,搭建了如圖1所示的窄線寬線偏振單模運轉脈沖光纖激光器。該激光器主要包括以下光學器件:窄線寬種子源(Narrow-Linewidth Seed,NL-Seed)、保偏光纖隔離器(Polarization-Maintaining optical fiber isolator,PM ISO)、980 nm單模泵浦源(Single-Mode Pump source at 980 nm,SM Pump@980 nm)、保偏波分復用器(Polarization-Maintaining Wavelength Division Multiplexing,PM WDM)、單模保偏摻鐿光纖(Single-Mode Polarization-Maintaining Ytterbium-Doped Fiber,SM-PMYDF)、保偏帶通濾波器(Polarization-Maintaining Band-Pass Filter,PM BPF)、模式選擇耦合器(Mode Selective Coupler,MSC)等。

圖1 窄線寬線偏振單模運轉脈沖光纖激光器實驗光路圖Fig.1 Experimental scheme of narrow linewidth linearly polarized single-mode operating pulsed fiber laser

激光器采用前向纖芯泵浦的方式,將1064 nm的種子光和980 nm的泵浦光分別經PM WDM耦合進入SM-PMYDF中進行單級功率放大。增益光纖則選用Nufern PM-YSF-HI-HP系列的單包層單模保偏摻鐿光纖,長度設置為1 m,其纖芯/包層直徑為6/125 μm,纖芯吸收系數@975 nm為250 dBm/m。另外,PM BPF的中心波長為1064 nm,濾波帶寬±0.2 nm,其作用是濾除放大過程中的正向ASE以及剩余泵浦光,從而獲得高的光譜信噪比。NL-Seed和PM BPF后端分別設置PM-ISO1-2,目的是用于隔離其后端獲得放大的反向ASE和信號光,從而保護前端器件不受損。然后在PM BPF1和PM ISO2之間插入電光強度調制器(Electro-Optic Intensity Modulator,EOIM),利用其光開關的作用效果,設置RIGOL DG1022任意信號發生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)的各項參量如所示,用以驅動EOIM從而產生重復頻率10 kHz,脈沖寬度小于10 ns的激光脈沖信號。然而,低的重復頻率將導致激光功率的驟降,理論上通過EOIM調制后的脈沖信號僅有幾個微瓦的強度,因此本文在腔外脈沖調制后增設了兩級級聯的纖芯泵浦放大器進一步提升功率。兩級光纖放大器的光路設置與單級功率放大光路相同,區別僅在于新增兩級放大器的增益光纖長度分別為0.9 m和1.2 m。

3 實驗結果及分析

設置NL-Seed激光器的工作波長為1064 nm,設置SM Pump1@980 nm的輸出功率為200 mW,AWG的工作參數如表1所示,實驗中逐漸增大SM Pump2@980 nm和SM Pump3@980 nm的輸出功率,先后測量PM ISO3和PM ISO4后的輸出功率和強度分布,并繪制實驗結果如圖2所示。

表1 實驗中AWG各參數列表Tab.1 List of parameters of AWG

圖2 脈沖光纖激光器的輸出功率隨泵浦功率的變化關系Fig.2 Variation of output power of pulsed fiber laser with pump power

由此可見,窄線寬線偏振單模運轉脈沖光纖激光器新增兩級纖芯泵浦放大器的輸出功率均與泵浦功率呈線性正相關,但是由于EOIM調制后極大的能量損耗,即便當SM Pump2@980 nm的輸出功率增至250 mW時,PM ISO3后的脈沖輸出功率也僅有420 mW。而當SM Pump3@980 nm的輸出功率增至260 mW時,PM ISO4后的脈沖輸出功率最高達31.8 mW,放大倍數18.79 dB,斜效率16.88 %。

同樣,采用AvaSpec-2048光譜儀分別測量PM BPF3前、后端的輸出光譜分布,結果如圖3所示。光路中加入PM BPF3前,增益光纖中獲得放大的既有1064 nm的種子光又有1030 nm附近的ASE光,輸出尾端還殘留未被完全吸收的980 nm的泵浦光,這主要是由于進入SM-PMYDF的脈沖信號光較弱,模式競爭優勢不明顯造成的。

圖3 脈沖光纖激光器的輸出光譜分布Fig.3 Output spectrum of pulsed fiber laser

最后,采用帶寬200 MHz的光電探測器(Conquer,PR-200M3150)和帶寬500 MHz的數字示波器(Tektronix,DPO4054B),測量PM BPF3后端最大脈沖功率輸出時的時域分布特性,結果如圖4所示。由圖4(a)可知輸出脈沖的周期為100 ns,重復頻率為10 kHz,由圖4(b)可知脈沖時間寬度為9.7 ns,與AWG的調制信號基本保持一致。

圖4 脈沖光纖激光器的時域分布特性Fig.4 Time domain distribution of pulsed fiber laser

將窄線寬線偏振單模運轉脈沖光纖激光器的基模脈沖信號光注入待測耦合器,測試MSC在脈沖工作方式下的各項技術參數,繪制結果如圖5所示。由圖5(a)可知,MSC的輸出功率與注入的LP01模功率之間的作用規律與工作方式無關,脈沖工作方式下也成線性正相關,當注入的LP01模功率為31.8 mW時,FMF和SMF的輸出功率分別達到最高的22.3 mW和4.4 mW。

圖5 脈沖工作方式下MSC的技術參數測試Fig.5 Parameter test of MSC in pulsed operation

由圖5(b)、(c)、(d)可知,脈沖工作時耦合器61.52 %的LP11模平均轉換效率、70.12 %的平均分束比、小于0.7 dB的附加損耗和小于0.06 dB的功率穩定性。

圖6描述了X和Y方向的LP11模純度隨注入待測耦合器的LP01模脈沖光功率的變化規律,兩個方向上的平均模式純度分別為99.64 %和99.61 %。

圖6 脈沖工作方式下獲得的LP11模純度Fig.6 LP11 mode purity in pulsed operation

4 結 論

本文利用全保偏MOPA結構和腔外脈沖調制技術,搭建了窄線寬線偏振單模運轉的脈沖光纖激光器,獲得了平均功率31.8 mW的脈沖激光輸出,后將其注入到MSC中,測得脈沖工作條件下LP11模的平均轉換效率61.52 %、平均分束比70.12 %、附加損耗小于0.7 dB、10 min功率穩定性小于0.06 dB,X和Y方向上LP11模的平均模式純度分別為99.64 %和99.61 %。