王承鑫

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展和它在人們生活應用中的不斷擴展，研究者們不再滿足于對常規(guī)激光光場的功率、振幅進行研究，而是越來越重視對激光光場的相位、偏振態(tài)調(diào)控方面的研究，并相繼提出了渦旋光場、矢量光場等新型光場。早在1961 年，斯尼策就首次從理論上提出了矢量光場的概念[1]，其中柱矢量光（Cylindrical vector beam, CVB）是在柱坐標系下求解麥克斯韋方程組得到的特征解。它主要包括角向偏振光、徑向偏振光和混合態(tài)偏振光三種。徑向偏振光和角向偏振光在光束橫截面上偏振態(tài)的方向分別沿著橫截面上的半徑方向和垂直于半徑的切線方向。徑向偏振光在大數(shù)值孔徑透鏡聚焦下，在焦點附近可以獲得一個平行于光軸方向的強垂直偏振光場。這種獨特的特性使得它在超分辨成像、材料的微納加工、表面等離子體的激發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、光鑷系統(tǒng)等 領(lǐng) 域 有 著 廣 泛 的 應 用 前 景[2，3]。1972 年，D.Pohl 和Y.Mushiake 等人在紅寶石激光器和He-Ne 激光器中分別獲得了角向和徑向偏振光[4，5]。四十多年以來，陸續(xù)提出了許多方法來產(chǎn)生柱矢量光，總的來說，生成柱矢量光的方法主要分為主動生成法和被動生成法兩種[6，-9]。主動法指的是在激光諧振腔內(nèi)引入具有選模作用的特殊光學元件濾掉其他偏振模式，使激光器直接輸出柱矢量光。另一種被動法，即在諧振腔外利用特殊光學元件通過偏振變換得到柱矢量光。主動生成法雖然產(chǎn)生柱矢量光的效率較高，但是欠缺靈活性；而被動生成法的優(yōu)點是具有很強的靈活性，而缺點是轉(zhuǎn)化效率不高。利用少模光纖的方法來生成柱矢量光是一種便捷有效的方法。通過求解普通階躍光纖中波動方程的本征解，可以得到徑向偏振光束和角向偏振光束分別對應的是LP11模式中的TE01模式和TM01模式。因此，首先利用少模光纖把光束從基模LP01模式激發(fā)到高階簡并模LP11模式，再通過一系列的偏振控制器件對它的幾種模式進行選擇性輸出，就可以分別得到徑向偏振光和角向偏振光的輸出。

關(guān)于高功率輸出的調(diào)Q 柱矢量激光器的報道很少。在這篇文章中，我們提出了一種使用全光纖技術(shù)得到雙波長脈沖柱矢量光的方法。這種全光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計大大減少了激光器的體積，使這種激光器在光學操縱和粒子捕獲方面具有廣泛的潛在應用。

1 耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)耦合模理論[10，11]，提出了一種3×3 模式轉(zhuǎn)換耦合器，其裝置如圖1 所示。它是由兩根單模光纖（兩側(cè)的SMF，芯/包層直徑= 6.2 / 125 μm，NA = 0.14）和一根少模光纖（中間的FMF，芯/包層直徑= 22.4 / 125 μm，NA =0.12）拉錐耦合而成。圖中箭頭表示的是光束的傳，1 μm 的基模光束從端口1 進入耦合區(qū)域后，基模光被激發(fā)到高階模式。殘留的基模光從端口2 返回到1 μm 的諧振腔中，激發(fā)的高階光從端口3 輸出。同樣地，1.5 μm 的基模光束從端口4 進入耦合區(qū)域，并且在耦合區(qū)域?qū)⒒９饧ぐl(fā)到高階模式。殘留的基模光從端口5 返回到1.5 μm 諧振腔中，激發(fā)的高階光從端口6 輸出。拉錐后SMF 和FMF 的光纖直徑分別為15 μm 和20 μm，錐度的長度約為3 mm。

圖1 具有3x3 端口的模式轉(zhuǎn)換耦合器的示意圖

最后將MWCNT 制成薄膜覆蓋到拉錐光纖的錐區(qū)，利用多壁碳納米管與雙錐形微納光纖的芯外倏逝場相互作用來實現(xiàn)調(diào)Q，形成的集成耦合元件稱為可飽和吸收模式轉(zhuǎn)換耦合器。

2 實驗裝置

雙波長被動調(diào)Q 柱矢量光激光器的裝置如圖2 所示，激光器色諧振腔是由帶有增益介質(zhì)EDF（Er3+摻雜光纖）和YDF（Yb3+摻雜光纖）的兩個子腔耦合而成。摻Er 激光腔由一個980 nm 激光二極管、一個980/1560 nm 波分復用器(WDM)、一段50 cm 的EDF（Er110-4/125、LⅠEKKⅠ）、兩個偏振控制器（PC5 和PC6）、偏振無關(guān)隔離器(PⅠ-ⅠSO) 和10/90輸出耦合器(OC) 組成。摻Y(jié)b 激光腔長度約為9 m，它是由一個980 nm 激光二極管、一個980/1060 nm 波分復用器(WDM)、一段60 cm 的YDF(Yb 1200-4/125,LⅠEKKⅠ)、兩個偏振控制器（PC2 和PC3）組成、偏振無關(guān)隔離器(PⅠ-ⅠSO)和10/90 輸出耦合器(OC)。兩個激光腔由我們的制成的耦合器連接（如虛線框所示）。MWCNTs 的寬帶可飽和吸收特性保證了激光器可以在1 μm 和1.5 μm 處形成穩(wěn)定的調(diào)Q 脈沖，隔離器確保了光在諧振腔中的單向傳輸，圖5 中的箭頭分別表示光在兩個激光腔中的傳輸方向，PC2 和PC5 用于調(diào)整激光腔內(nèi)光脈沖的偏振態(tài)。從少模光纖輸出端3 和4 輸出的脈沖柱矢量光斑圖像在經(jīng)過一個光纖準直器聚焦后由CCD 攝像機（紅外數(shù)字CMOS 攝像機）探測。

圖2 光纖激光器的實驗裝置

3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明兩個子腔可以獨立運行。當摻Er 腔中的泵浦功率增加到100 mW 時，就會出現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q 激光脈沖。泵浦功率達到240 mW 時脈沖序列的如圖3 (a)所示。重復率為25.1 kHz，脈沖間隔為39.7 μs。如圖3 (b)所示，光譜中心位于1560 nm，3 dB 帶寬為2.2 nm。隨著泵浦功率的增加，輸出激光的重復頻率線性增加（從5 kHz 到30 kHz），脈沖寬度逐漸減小，直到恒定值2.1 μs [見圖3 (c)]；同時脈沖能量和峰值功率隨著泵浦功率的增加而增加，直到泵浦功率達到240mW。當泵浦功率大于240mW 時，除了脈沖持續(xù)時間、脈沖能量和峰值功率幾乎固定之外，由于MWCNTs 的飽和吸收，重復率仍將線性增加[見圖3 (c) 和(d)]。

圖3 摻Er 諧振腔的激光脈沖特性

圖4 表示的是摻Y(jié)b 激光腔的激光輸出特性，在160 mW 的泵浦功率下實現(xiàn)調(diào)Q, 圖4 (a) 表示的是當泵浦功率為270 mW 時，output1 端口測得激光的脈沖序列。脈沖持續(xù)時間約為1.21 μs，脈沖間隔約為12.3 μs（對應于81.3 kHz 的重復頻率）。泵浦功率為270 mW 時的輸出頻譜如圖4 (b)所示?？梢钥闯觯す獠ㄩL為1036nm，3dB 帶寬為0.9nm。當泵浦功率從160 mW 增加到300 mW 的過程中，脈沖序列的重復率顯示出線性趨勢（從40 kHz到110 kHz）。當泵浦功率達到 260 mW時，也會出現(xiàn)飽和效應。當泵浦功率達到300 mW 時，最小脈沖持續(xù)時間約為2.1 μs [圖4 (d)]。

圖4 摻Y(jié)b 諧振腔的激光脈沖特性

通過調(diào)節(jié)PC2 和PC5 可以控制輸入到可飽和吸收模式轉(zhuǎn)換耦合器的基模光的偏振狀態(tài)，可以提高從基模到高階模式的耦合效率。PC3 和PC6 用于過濾其他的偏振態(tài)，從而形成更高模式純度的APB 和RPB 的輸出?？梢酝ㄟ^精確的調(diào)節(jié)PC2 和PC3 來獲得1 μm 的角向偏振光束和徑向偏振光束。圖5 表示的是由CCD 相機檢測到的1 μm 光脈沖的光斑強度分布。頂行和底行分別表示的是角向偏振和徑向偏振矢量光束。為了確認模式，在CCD 和準直器之間插入了線性偏振片。隨著線性偏振片的旋轉(zhuǎn)，角向偏振光（APB）和徑向偏振光（RPB）的兩瓣光斑也將相應地旋轉(zhuǎn)，因此，可以確認其為角向偏振光束和徑向偏振光束。

圖5 CVB 在1μm 處的強度分布

使用相同的方法，調(diào)節(jié)PC5 和PC6，可以獲得高純度1.5 μm 的RPB 和APB（見圖6）。輸出光斑的模式純度可以通過彎曲法測得1 μm 和1.5 μm 的模式純度分別為95%和92%。

圖6 CVB 在1.5μm 處的強度分布

4 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于少模光纖的雙波長被動調(diào)Q 柱矢量光光纖激光器，獲得了的波長在1 μm 和1.5 μm的高模式純度的脈沖柱矢量光束。同時通過調(diào)節(jié)泵浦功率可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出柱矢量脈沖激光的脈沖寬度，重復頻率，峰值功率和單脈沖能量。得到的這種柱矢量光激光器在非線性光學，時空光學和超快光學中有潛在的應用。