杏彩体育:光学精密工程 波长可切换柱矢量光纤激光器

　　(Cylindrical Vector Beams，CVBs)是一种特殊的矢量偏振光,具有轴对称偏振分布和环形模场分布的特性,因此广泛应用于表面等离子体激元激发，超分辨率成像，光学存储、光学传感、光通信、粒子加速、光学操纵和材料加工等领域。

　　CVBs可以通过自由空间光学器件进行转换，在中心点产生接近于零的强度，如q板、涡旋相位板和空间光调制器等，这种方法需要考虑环境稳定性以及精准的光路对齐，因此常用于空间光路。相比之下，通过光纤生成CVBs是一种紧凑且灵活的方法，如偏芯耦合、光子灯笼、长周期光栅、特种光纤、少模光纤光栅对和模式选择耦合器等。其中，模式选择耦合器选模是实现模式转换最简单的方法，可以获得较高的模式纯度，并且生产成本低、稳定性强。为了实现高纯度柱矢量光的输出，近日，北京工业大学先进半导体光电技术研究所王智勇研究员，刘学胜副研究员课题组在《光学 精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“基于对称双模耦合器的波长可切换柱矢量光纤激光器”的封面文章。

　　柱矢量激光如图1所示，具有轴对称的强度和偏振分布，强聚焦时会在平行于光轴的任意平面内形成一个独特且较强的局部纵向电场，因此采用柱矢量激光加工可以获得高深宽比的直孔，同时加工速度也会提高1.5-2倍，具备更佳的打孔质量和更高的效率。2018年，本课题组[1]提出并搭建了基于液晶聚合物的纳秒脉冲掺镱主振荡器功率放大（MOPA）系统，采用空间相位转换法产生柱矢量光，实现了径向偏振光输出。模式选择耦合器选模是实现模式转换最简单的方法，可以获得较高的模式纯度，并且生产成本低、稳定性强。相比较连续的CVBs（Cylindrical Vector Beams, CVBs），脉冲CVBs具有高能量、高峰值功率，在金属的微孔钻削，电子加速等领域有着潜在的应用价值。在此基础上，我们提出一种全光纤方法产生CVBs，并将CVBs产生方法与锁模技术相结合，旨在为高功率柱矢量光提供一套稳定性强、成本低、技术简单的皮秒种子源方案。

　　如图2所示，STMC（Symmetric Two Mode Coupler, STMC）由完全相同的两根双模光纤熔融拉锥制成，在锥区完成LP₁₁模的激发，在耦合区完成LP₁₁模的耦合输出，实现基模向高阶模转换的功能。

　　入射光从光纤的Port 1端口进入锥区后，光纤归一化频率随着纤芯的变细而逐渐变小，使得越来越多的光渗入包层；进入耦合区后，两个光纤波导靠得很近时，由于倏逝场的作用，发生两个波导间的能量交换；当光进入输出端锥区后，归一化频率随纤芯的变粗而逐渐增大，使光以特定比例从两个输出端输出。

　　采用有限元法（Finite Element Method，FEM）计算双模光纤中LP₀₁模和LP₁₁模的有效折射率随光纤直径（包层直径）的变化规律。采用两根相同的双模光纤进行模拟，光纤中模式被束缚在纤芯中传输的条件为模式的有效折射率在纤芯和包层之间；而当模式的有效折射率小于包层折射率时，该模式会泄露到包层中。结果如图3所示。

　　基于光束传播法建立了对称双模耦合器的锥区三维波导模型，通过设定主要参数工作波长、锥区长度等，得到拉锥关键参数。图4是能量流动仿线：(a)TMF拉锥过程中LP₁₁模纵向能量流动仿真模拟；(b)STMC的能量流动仿真结果

　　结合非线性偏振旋转锁模技术，搭建一套被动锁模光纤激光器，将其注入对称双模耦合器中，实现了模式纯度超过97%的柱矢量光的输出。在CCD和偏振之间加入线偏振片作为起偏器，随着线偏振片的旋转，可以分辨出TM₀₁模和TE₀₁模，图5（a-j）显示了径向偏振光束和角向偏振光束的模场强度分布，以及它们通过不同方向的线性偏振器后的模场强度分布。

　　图5：输出光模场强度分布特性：(a)TM₀₁模；(b-e)TM₀₁模通过不同方向的线偏振片后的模场强度分布；(f)TE₀₁模；(g-j)TE₀₁模通过不同方向的线偏振片后的模场强度分布

　　本文采用全光纤产生CVBs，基于理论分析以及模式耦合机理，采用两根相同的双模光纤设计并制作了一款1 μm波段可实现LP₀₁模向LP₁₁模高纯度转换的STMC，并用于波长可切换的被动锁模全光纤激光器产生脉冲CVBs。该方法相比于传统的非对称模式选择耦合器免去了制作过程中的预拉锥工艺，最大限度地简化了耦合器的制作成本与制造工艺，在工程应用中具有广阔前景。

　　北京工业大学先进半导体光电技术研究所王智勇研究员，刘学胜副研究员课题组研究领域包括先进光纤激光器、全固态激光器、超快激光器及其在工业加工领域中的应用。先后承担国家重点研发计划项目、北京市自然科学基金面上项目、北京市教委项目及国内大型企业、科研院所委托科研课题等40余项。培养的研究生多次获得研究生国家奖学金、校优秀硕士毕业论文、北京市优秀毕业生、校科技创新一等奖等科技奖励。在Optics Express, Optics and Laser Technology, IEEE Photonics Journal，Applied Sciences-Basel, Chinese Optics Letters