[发明专利]一种涡旋光单频光纤激光器

说明书

本发明公开了一种涡旋光单频光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、增益离子环形掺杂的涡旋增益光纤、光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和涡旋光纤。本发明基于涡旋光纤的模式分离和优化设计，采用涡旋光纤器件可确保特定阶轨道角动量模式在谐振腔内和输出端的产生和稳定传输。基于同阶模式泵浦机制和谐振腔滤模效应，使得腔内同阶轨道角动量模式的信号光获得增益最大化，进而获得涡旋光激光。通过选频器和控制腔长，使得腔内只有一个纵模起振，保证涡旋光单频激光输出。本发明基于环形腔内单一模式直接谐振机制，输出的涡旋光单频激光具有模式纯度高和光束质量好等优点。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种涡旋光单频光纤激光器。

背景技术

涡旋光束是场分布带有螺旋相位项exp(ilφ)的一种光束，光束中每个光子携带lh的轨道角动量（l为拓扑荷数，φ为方位角，h为普朗克常量），具有环形光场分布和螺旋相位奇点的特点。这些独特的性质使其被广泛应用于材料加工、光镊、高分辨率成像、光纤传感和光纤通信等领域。但是，这些应用前景对漩涡光束的单色性、相干性、模式纯度和稳定性等方面提出了更高的要求。单频光纤激光器由于具有窄线宽、高单色性和相干性等优点可以满足这样的要求。同时，单频光纤激光器已成为密集波分复用光通信系统、相干光通信系统、分布式光纤传感系统和相干激光雷达等领域的重要激光光源。将单频激光和涡旋激光结合形成单频涡旋激光，应用的领域将更加广泛。因此，研究涡旋光单频光纤激光器具有十分重要的意义。

关于单频光纤激光器的研究有很多，专利CN109149330A公布了一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，采用超短线型腔架构实现噪声性能优异和线宽极窄的单频激光输出。专利CN106410599A公布了一种布里渊单纵模移频光纤激光器，利用复合腔的选模特性实现单纵模激光输出。实际上，光波在光纤传输时，由于纤芯边界的限制，求解光波传输的亥姆霍兹方程得到的是不连续的电磁场解，这种不连续的场解称为模式，包括基横模和高阶横模。传统单模光纤中稳定传输的模式即为基横模。而光纤中的涡旋光是由高阶矢量横模（HE或EH）的奇模和偶模以π/2相位差叠加而成，也称为轨道角动量模式。很显然，上述专利公布的单频光纤激光器输出的为基横模单频激光，是不能直接产生涡旋光单频激光的。

在传统单频光纤激光器的输出端外加轨道角动量模式产生器或转换器是一种很容易想到的间接产生方案，也就是将基横模单频激光转换为轨道角动量模式单频激光。虽然这种方法也能产生轨道角动量模式单频激光，但激光性能严重依赖于轨道角动量模式产生器或转换器的性能，输出激光的功率会随之降低，模式纯度偏低，光束质量较差。另外，大多数的光纤型轨道角动量模式产生器或转换器是基于单模光纤和传统少模光纤或多模光纤制得。传统单模光纤只支持基横模的传输，传统少模光纤或多模光纤中由于弱波导近似使相近传播常数的高阶矢量横模简并为线偏振模式，均无法满足轨道角动量模式在光纤中稳定传输。因此，由传统单频光纤激光器输出端转换而来的轨道角动量模式单频激光传输不稳定。因此，设计一种单频光纤激光器以获得稳定、高模式纯度的轨道角动量模式单频激光具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种涡旋光单频光纤激光器。具有结构简单、成本低、易于光纤系统集成、输出激光轨道角动量模式纯度高和稳定性好的优点。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种涡旋光单频光纤激光器，所述激光器包括基模泵浦源、偏振控制器、轨道角动量模式产生器、波分复用器、增益离子环形掺杂的涡旋增益光纤、光纤隔离器、选频器、光纤耦合器和涡旋光纤；

所述轨道角动量模式产生器具有第一端口和第二端口；

所述波分复用器具有第一端口、第二端口和第三端口；