全光纤轴对称偏振光激光器

论文摘要

光纤激光器相对于传统固体激光器来说具有工作效率高,光束质量好,体积小,结构紧凑,稳定性好等优点。其应用领域分布广泛,包括科学研究、工业加工、光纤通信、传感等。由于光纤中的基模为优势模,没有截止频率,所以光纤激光器的输出模场一般为基模分布,其偏振态在整个光束横截面上为各处相同的均一分布。近来的矢量光学研究进展表明,存在中心位相奇点的轴对称偏振光具有两种正交的偏振态分布,径向偏振光和角向偏振光。在光学操控、成像等应用中,轴对称偏振光相对于普通偏振光可以提供更加丰富的偏振态控制。光源的产生往往需要特殊光学元件和较为复杂的谐振腔结构。光纤波导理论显示,光纤内的高阶模式,如TE模和TM模,其模场的偏振态分布呈现出轴对称特性,并分别对应着角向偏振光和径向偏振光,因此借助高阶模式的激发,光纤激光器同样能够产生轴对称偏振光。本论文的研究课题得到国家自然科学基金等项目的支持,目的是通过腔型结构设计和激光器波长控制,利用光纤模式特性,实现轴称偏振光在全光纤结构激光器中的振荡输出。研究对于简化轴对称偏振光的实现方案,获得结构紧凑、使用便捷的激光光源具有重要意义。本论文主要研究工作有：1.在实验中利用单模光纤和少模光纤构建谐振腔,基于光纤准直器之间不同的耦合状态实现少模光纤中高阶模式的激发,直腔结构激光器从少模光纤端的输出具有轴对称偏振特性,实现了轴对称偏振光激光光源的全光纤结构化。实验中获得工作波长在1030nm附近激光输出,激光器斜率效率为5%,阈值功率为30mW,最大输出功率为10mW。通过对少模光纤施加应力的方式实现输出偏振态的连续变换,获得分别获得角向和径向偏振态的输出。2.分析了入射光的参量对少模光纤中模式激发的影响,将螺旋位相板引入光路,利用光束位相变换和光纤模式耦合特性提升高阶模式转换效率,耦合效率由直接耦合时的10%提高到50%,对于进一步提高激光器工作效率有指导意义。3.利用注入锁定的方法实现轴对称偏振光激光器的单频输出,实验研究了外注入和互注入状态下光纤激光器的工作特性,通过观察分析光谱,RF频谱和远场干涉光强分布确定注入效果。光纤DFB和直腔激光器构成复合腔结构,DFB光栅结构作为激光器腔镜提供反射。作为注入信号的单频光在由光纤DFB产生,并耦合到工作在轴对称偏振光输出的直腔激光器内,由于注入信号的影响锁定直腔激光器振荡频率并实现在单频工作。相移光纤光栅在反射谱中存在窄带透射窗口,理论模拟了少模光纤相移光栅对TE和TM模的透射谱,透射光场的模式纯度可以通过少模光纤相移光栅对于窄线宽轴对称偏振光的滤波得以实现。本论文主要创新点包括：1.利用光纤激光器结构实现轴对称偏振光输出,激光器输出功率为10mW,工作波长在1030nm附近。通过对光纤施加剪切应力,输出偏振态能够在角向偏振光和径向偏振光之间实现切换。2.利用光纤DFB激光器的注入锁定实现轴对称偏振光纤激光器的单频输出,工作波长为1053.8nm,分析了少模光纤相移光栅对高阶模的透射特性,对进一步提升轴对称偏振光的光束质量有参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1. 轴对称偏振光束简介
• 1.2. 偏振光束产生方法
• 1.2.1. 主动方法
• 1.2.2. 被动方法
• 1.3. 轴对称偏振光聚焦特性
• 1.4. 轴对称偏振光应用
• 1.5. 本章小结
• 参考文献
• 第二章 光纤激光器概述
• 2.1. 光纤激光器基本理论
• 2.1.1. 泵浦和增益
• 2.1.2. 激光器谐振腔结构
• 2.1.3. 光纤激光器特点
• 2.2. 光纤激光器分类
• 2.2.1. 连续运转光纤激光器
• 2.2.2. 脉冲运转光纤激光器
• 2.3. 本章小结
• 参考文献
• 第三章 全光纤轴对称偏振光激光器
• 3.1. 光纤模式理论
• 3.1.1. 波动方程求解
• 3.1.2. TE和TM模
• 3.1.3. 混合模式
• 3.1.4. 模式截止条件
• 3.1.5. LP模式
• 3.2. 光纤轴对称偏振光激光器研究
• 3.2.1. 研究简介
• 3.2.2. 全光纤结构轴对称偏振光激光器实验研究
• 3.2.3. 高效率模式转化实验研究
• 3.3. 本章小结
• 参考文献
• 第四章 单频轴对称偏振光激光器
• 4.1. 光纤光栅的研究
• 4.1.1. 光纤光栅工作原理及制作技术
• 4.1.2. 长周期光纤光栅（LPG）
• 4.1.3. 相移光纤光栅
• 4.1.4. 相移光纤光栅滤波器
• 4.1.5. DFB光纤激光器
• 4.2. 光纤激光器注入锁定实验研究
• 4.3. 注入锁定实现轴对称偏振光激光器单频运转
• 4.4. 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1. 本文工作总结
• 5.2. 研究展望
• 在读期间发表的学术论文
• 致谢