基于對稱雙模耦合器的波長可切換柱矢量光纖激光器

裴思琪， 張天宇， 張 昆， 楊博義， 朱 云， 胡佳鵬，劉學勝*， 劉友強， 王智勇

（1. 北京工業大學 北京市激光應用技術工程技術研究中心，北京 100124；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 半導體光電先進技術研究所，北京 100124；4. 中國電子科技集團公司第十一研究院 固體激光科學技術實驗室，北京 100015）

1 引 言

柱 矢 量 光（Cylindrical Vector Beams，CVBs）因其軸對稱偏振分布和環形模場分布特性而受到廣泛關注，典型的CVBs 包括徑向偏振（TM01）和角向偏振（TE01）光束［1］。CVBs 具有獨特的光學特性，廣泛地應用于表面等離子體激元激發［2］、超分辨率成像［3-4］、光學存儲［5］、光學傳感［6］、光通信［7-10］、粒子加速［11］、光學操縱［12］和材料加工［13］等領域。CVBs 可以通過自由空間光學器件進行轉換，在中心點產生接近于零的強度，如q板［14］、渦旋相位板［15-18］和空間光調制器［19-20］等，這種方法需要考慮環境穩定性以及精準的光路對齊，因此常用于空間光路。相比之下，通過光纖生成CVBs 是一種緊湊且靈活的方法，如偏芯耦合［21］、光子燈籠［22］、長周期光柵［23］、特種光纖［24］、少模光纖光柵對［25］和模式選擇耦合器［26］等。其中，模式選擇耦合器選模是實現模式轉換最簡單的方法，可以獲得較高的模式純度，并且生產成本低、穩定性強。相比于連續CVBs，脈沖CVBs 具有高能量、高峰值功率，在金屬的微孔鉆削［27］、電子加速［11］等領域有著潛在的應用價值。將CVBs 產生方法與鎖模技術相結合是一種有效的高功率CVBs 實現方案。2019 年，南京郵電大學張祖興等［28］采用自制對稱雙模耦合器（Symmetric Two Mode Coupler， STMC），搭建了非線性偏振旋轉（Nonlinear Polarization Rotation Principle， NPR）被動鎖模CVBs 光纖激光器，實現了中心波長為1 564.4 nm，模式純度為90%的脈沖CVBs 輸出。2020 年，他們［29］采用偏芯耦合和非線性環形鏡鎖模實現了中心波長為1 066.9 nm，模式純度為94%的CVBs。同年，上海大學曾祥龍等［30］采用非對稱模式選擇耦合器和NPR 鎖模技術，實現了中心波長在1 032~1 040 nm 可調的TM01模輸出。2022 年，中國科學技術大學許立新等［31］采用偏芯耦合結合半導體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mirror， SESAM）鎖模技術實現了中心波長為1 067.01 nm，模式純度為92.4%的TM01模輸出。根據國外近幾年對柱矢量全光纖激光技術的研究，SESAM鎖模通常具有較低的損傷閾值，相比于非線性環形鏡鎖模，NPR 鎖模的光纖激光器結構更簡單，波長可調、調制深度大、響應時間短。

2018 年，本課題組［32］提出并搭建了基于液晶聚合物的納秒脈沖摻鐿主振蕩器功率放大（MOPA）系統，采用空間相位轉換法產生柱矢量光，實現了中心波長為1 064 nm，模式純度為88.5%的TM01輸出。本文采用全光纖產生CVBs，基于理論分析以及模式耦合機理，采用兩根Corning SMF-28e 光纖設計并制作了一款1 μm 波段可實現LP01模向LP11模高純度轉換的STMC，并用于波長可切換的被動鎖模全光纖激光器產生脈沖CVBs。該方法相比于傳統的非對稱模式選擇耦合器免去了制作過程中的預拉錐工藝，最大限度地簡化了耦合器的制作成本與制造工藝。相比于目前的STMC，本文制作的STMC 用于1 μm波段且模式轉換純度更高。

2 原 理

2.1 理論分析

如圖1 所示，STMC 由完全相同的兩根雙模光纖（Two Mode Fiber， TMF）熔融拉錐制成，在錐區和耦合區分別完成LP11模的激發和輸出。

圖1 STMC 結構及工作原理Fig.1 Structure and principle of STMC

入射光從光纖的Port 1 端口進入錐區后，光纖歸一化頻率隨著纖芯的變細逐漸變小，使得越來越多的光滲入包層；進入耦合區后，兩個光纖波導靠得很近時，由于倏逝場的作用，發生兩個波導間的能量交換；當光進入輸出端錐區后，歸一化頻率隨纖芯的變粗逐漸增大，使光以特定比例從兩個輸出端輸出STMC 的耦合區工作機理符合模式耦合理論［33］，其耦合方程為：

式中：A1（z），A2（z）為兩種模式耦合引起的幅度變化；β1，β2，z為傳播常數、光沿耦合區傳輸的距離；K12，K21為耦合系數。由于入射光從Port 1 端口進入，此時，Port 3 端口在z=0 處沒有電磁場，滿足對式（2）進行積分得到：

式中ej(β2-β1 z)為高速振蕩因子。所以在耦合距離L內，式（3）不會等于一個有效值，即只有在傳播常數相近（有效折射率相等）的兩個模式或同一模式之間才能獲得存在有效值的A2（L），此時才會發生有效的耦合。

經推導求得耦合器兩輸出端口的光功率為：

式中：Kc=|K12|=|K21|，為耦合系數。由式（4）和式（5）可知，在相位匹配的情況下兩個波導中導模周期性地進行功率轉換。在光纖耦合器中，光在耦合區傳輸時模式耦合導致其在兩光纖間發生周期性的轉換，且當能量第一次從一根光纖耦合進另一根光纖時所傳輸的最短距離被稱為最佳耦合長度。在STMC 中對TMF 進行拉錐激勵出光纖中的高階模，在耦合區進行能量周期性交換以及模式耦合，由于入射光是從第一根光纖中輸入的，第一根光纖的輸出包含LP01模和LP11模，LP11模由第二根光纖輸出。通過控制TMF 錐區尺寸，可以盡可能地將LP01模限制在TMF 纖芯中而不耦合到第二根TMF 中，將LP11模泄漏到TMF 包層中被較多地耦合出來。

2.2 波導仿真

Corning SMF-28e 纖芯直徑為8.2 μm，NA為0.14，算出歸一化頻率為3.4。根據模式理論，僅支持基本模式和第二高階模式TM01，TE01和HE21（奇數和偶數），其他高階模態由于高損耗而不能維持［31］。本文采用Corning SMF-28e 作為1 μm 波段的TMF，SMF-28e 中模式被束縛在纖芯中傳輸的條件為1.457

圖2 有效折射率隨光纖直徑的變化曲線Fig.2 Variation of effective refractive index with fiber diameter

結合圖2 所示仿真結果，當光纖直徑為89 μm 時，TMF 中LP11模的有效模式折射率為1.457，此時LP11模開始往包層中泄漏，在STMC的耦合區開始發生LP11模式的耦合，而LP01模的有效模式折射率仍然滿足：1.457

本文基于光束傳播法（Beam Propagation Method， BPM）建立了STMC 的錐區三維波導模型，設置工作波長為1 064 nm，TMF 拉錐后的直徑分別為30 μm 和31 μm，錐區拉伸長度為7 500 μm。將歸一化功率值為單位1 的LP11模由未拉伸的端口處的纖芯注入，模擬結果如圖3 所示。由圖可知，隨著TMF 直徑的逐漸減小，LP11模逐漸從纖芯泄漏到包層中進行傳輸，當光纖直徑被拉伸到30 μm 和31 μm 時，LP11模已經完全從纖芯中泄漏出來，而此時LP01模還被束縛在纖芯中傳輸，幾乎不會泄漏到包層中。由此可見，將TMF 光纖直徑拉伸到30 μm 和31 μm 時可以有效實現LP01模與LP11模的分離。

圖3 TMF 拉錐過程中不同直徑下LP11模縱向能量流動仿真Fig.3 Simulation of LP11 mode longitudinal energy flow during TMF cone pulling with different diameters after TMF cone pulling

根據錐區的仿真結果，本文采用光束傳播法建立STMC 的耦合區三維波導模型，設置工作波長為1 064 nm，耦合區TMF 的直徑分別為30 μm和31 μm。在任一TMF 注入歸一化功率值為單位1 的LP11模，模擬結果如圖4 所示。由圖可知，耦合區的光纖直徑為30 μm 和31 μm 之間的任一數值，兩根光纖間的能量交換均呈現周期性變化的規律，當耦合長度合適時，第一根光纖中的LP11模幾乎可以完全耦合到第二根光纖中。不同的是，耦合區不同的光纖直徑分別對應不同的最佳耦合長度，由圖可知，耦合區光纖直徑為30 μm 和31 μm 時對應的最佳耦合長度分別約為4.2 cm 和4.7 cm。最后，基于上述STMC 的仿真結果，設定錐區為6 000 μm，耦合區為4.2 cm。采用熔融拉錐法將兩根光纖拉錐至60 μm 完成了STMC 的制作。

圖4 不同光纖直徑下STMC 的能量流動仿真結果Fig.4 Energy flow simulation results of STMC with different diameters of TMF

3 偏振模式轉換理論

柱矢量光束橫截面上任一點的偏振方向都與徑向成一定夾角，其電場可以表示為：

其中：E0（r）為電場振幅，?為方位角，ex和ey分別為x方向和y方向的單位矢量，?0為電場矢量與徑向的夾角。則柱矢量光的瓊斯矩陣可以表示為：

當?0=0 時，徑向偏振光的瓊斯矩陣可以表示為：

當?0=π/2 時，徑向偏振光的瓊斯矩陣可以表示為：

如果兩個快軸沿y軸方向的1/2 波片以任意角度θi放置，則會產生如下給出的CVBs 光束：

式中：R（θi）是線性基的旋轉矩陣，θi為波片旋轉角度。當2（θ1-θ2）=?0，式（10）可以簡化為Jradial（?），轉換為徑向偏振光；當2（θ1-θ2）+?0=π/2 時，式（10）可以簡化為Jazimuthal（?），轉換為角向偏振光。從式（10）可以看出，通過兩個1/2波片可以實現徑向偏振光和角向偏振光的轉換。

偏振控制器為三槳光纖偏振控制器，利用應力引起的雙折射形成獨立的波片，從而改變單模光纖中透射光的偏振方向。3 個分數波片是沿著3 個獨立的纏繞盤環繞光纖而產生的。可將偏振控制器纏繞為兩個1/2 波片，實現偏振轉換。

4 實驗及結果分析

4.1 實驗裝置

本文提出的基于STMC 的全光纖CVBs 光纖激光器實驗裝置如圖5 所示。泵浦源為最大輸出功率為830 mW 的980 nm 半導體激光器，通過980 nm/1 064 nm 的波分復用（Wavelength Division Multiplexing， WDM）將泵浦能量耦合進諧振腔內，增益光纖為摻鐿光纖（Ytterbium Doped Fiber， YDF），長度為2 m，它在975 nm 處的吸收系數為250 dB/m。偏振相關隔離器（Polarization Dependent Isolator， PDI）置于環形腔中起到起偏器的作用，同時能夠保證諧振腔內的光單向運轉，使整個結構更加簡化。兩個偏振控制器（Polarization Controller， PC）用于調節腔內偏振態實現波長可切換鎖模，采用一段長度為7 m 的SMF（Nufern 1060XP）來增強諧振腔內的非線性累積。實驗中各光纖器件尾均為HI1060。整個環形腔長約為23 m，其中單模光纖和增益光纖在1 060 nm 處的色散值分別為-39.2 ps/（nm·km-1）和-35 ps/（nm·km-1），經過計算諧振腔的凈色散為0.525 ps2/m，整個激光器工作在全正色散區域，采用一個分光比為50/50 的單模光纖耦合器（Single-Mode Fiber Optical Coupler，SMF-OC）作為激光腔的LP01模輸出。STMC 作為模式轉換器在脈沖激光輸出端將LP01模轉換為LP11模輸出，衰減后由CCD 接收，通過旋轉PC3 進行偏振控制可實現TM01模及TE01模的可切換輸出。輸出激光采用光譜分析儀（YOKOGAWA，AQ6370C）觀測，其最高分辨率為0.02 nm。輸出脈沖通過一個InGaAs 光電探測器進行光電轉換，轉換后脈沖序列通過高速示波器進行觀測。

圖5 基于STMC 的波長可切換柱矢量光纖激光器實驗裝置Fig.5 Experimental setup of wavelength-switchable cylindrical vector fiber laser based on a STMC

4.2 結果分析

當泵浦功率設定在60~260 mW 時，激光器輸出連續光；當泵浦功率為300 mW 時，通過調節PC1 和PC2，可以實現中心波長分別為1 038.97 nm 和1 067.72 nm 兩種狀態的穩定鎖模激光輸出。當中心波長為1 038.97 nm 時，鎖模CVBs 光纖激光器的輸出如圖6 所示。圖6（a）為輸出光譜，3 dB 帶寬為2.99 nm；圖6（b）為脈沖序列，脈沖時間間隔為113.8 ns，重復頻率為8.78 MHz，與23 m 腔長的理論計算值一致；圖6（c）為相應的單脈沖，脈沖寬度為660 ps；圖6（d）是加STMC 前后的激光輸出功率隨泵功率的變化曲線，可以看出，激光平均輸出功率與泵功率線性正相關，本實驗受腔損耗的限制，LP11模的最大平均輸出功率為5.56 mW。插圖為激光輸出光斑的模場強度分布。

圖6 泵浦功率為300 mW、中心波長為1 038.97 nm 時鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.6 Output characteristics of mode-locked fiber laser at pump power of 300 mW with central wavelength of 1 038.97 nm

在泵浦功率為300 mW 時，調節偏振控制器實現中心波長為1 067.72 nm 的鎖模CVBs 光纖激光器的輸出，其輸出特性如圖7 所示。圖7（a）為輸出光譜，3 dB 帶寬為3.05 nm；圖7（b）為脈沖序列，脈沖時間間隔為113.8 ns，重復頻率為8.78 MHz；圖7（c）為相應的單脈沖，單脈沖的脈沖寬度為656 ps；圖7（d）是加STMC 前后的激光輸出功率與泵功率的變化曲線，可以看出，激光的平均輸出功率和泵功率呈線性正相關，也受腔損耗和泵功率，LP11模式的最大平均輸出功率是5.5 mW，通過計算得到STMC 的模式轉換效率為6.67%。插圖為激光輸出光斑的模式強度分布。

圖7 泵浦功率為300 mW、中心波長為1 067.72 nm 時鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.7 Output characteristics of mode-locked fiber laser at pump power of 300 mW with central wavelength of 1 067.72 nm

當泵浦功率為300 mW，中心波長為1 038.97 nm 時，在PC3 后加入準直器，精準調節PC3，通過電耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）可以觀察到CVBs 輸出。為了驗證光斑模式，在CCD 和偏振控制器之間加入線偏振片作為起偏器，隨著線偏振片的旋轉可以分辨出TM01模和TE0模，圖8（a）~8（j）顯示了徑向偏振光束和角向偏振光束的模場強度分布，以及它們通過不同方向的線性偏振器后的模場強度分布。計算TM01和TE01模的純度分別為97.18%和97.07%。同理，在中心波長為1 067.72 nm 時TM01和TE01模的純度分別為97.09%和97.03%。

圖8 輸出光模場強度分布特性：（a） TM01模；（b~e） TM01模通過不同方向的線偏振片后的模場強度分布；（f） TE01模；（g~j） TE01模通過不同方向的線偏振片后的模場強度分布Fig.8 Output optical mode field intensity distribution characteristics： （a） TM01 mode； （b-e） The mode field intensity distribution of TM01 under rotation of the linear polarizer； （f） TE01 mode； （g-j） The mode field intensity distribution of TE01 under rotation of the linear polarizer

CVBs 的轉換效率相對較低，這里由于STMC 本身的設計和制作過程的影響。首先，在STMC 的制作過程中為了獲得高純度的LP11模式，LP11模式應盡可能地泄漏到包層中，而LP01模式應限制在光纖芯中。因此，LP01和LP11模式的分離達到最大程度，這需要在耦合區域有一個特定的光纖直徑范圍，從而限制STMC 的CVB輸出功率。其次，理論仿真與實驗制作存在誤差，后續可以通過優化拉錐參數以及工藝參數來優化器件。

5 結 論

本文設計并制作了一種能實現LP01模向LP11模高純度轉換的1 μm 波段STMC，并提供了一種CVB 全光纖鎖模激光器設計方案。最終，獲得了工作中心波長為1 038.97 nm/1 067.72 nm，重復頻率為8.78 MHz，脈沖寬度為660 ps/656 ps，最大輸出平均功率為5.25 mW/5.2 mW，模式純度為97.18%/97.09% 和97.09%/97.03%的TM01和TE01模輸出。使用Corning SMF-28e 光纖成功制作STMC，獲得了超高模純度的CVB 輸出，簡化了模式選擇耦合器的制作工藝，降低了制造成本。未來，通過后續工藝優化來提升模式轉換效率，該STMC 有望應用于高功率CVB 全光纖激光器中。