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        基于LCP徑向偏振光輸出的摻鐿MOPA脈沖光纖激光器

        2020-05-12 08:34:56賈文增劉學(xué)勝司漢英王智勇
        光學(xué)精密工程 2020年5期
        關(guān)鍵詞:波片偏振光渦旋

        賈文增,劉學(xué)勝*,司漢英,楊 松,王智勇

        (1.北京工業(yè)大學(xué) 北京市激光應(yīng)用技術(shù)工程技術(shù)研究中心, 北京 100124;2.北京工業(yè)大學(xué) 跨尺度激光成型制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124;3. 北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院,北京 100124;4. 光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300308)

        1 引 言

        近年來(lái),具有軸對(duì)稱場(chǎng)振幅分布和徑向(或方位角)偏振態(tài)的圓柱矢量光束(Cylindrical Vector Beams,CVBs)開始受到越來(lái)越多研究者的青睞。理想的徑向偏振光束其中心強(qiáng)度為0,光斑呈空心環(huán)形,偏振方向沿徑向分布,具有高數(shù)值孔徑聚焦特性[1]。得益于此,徑向偏振光在光學(xué)捕獲[2]、超分辨率成像[3-4]、相位奇點(diǎn)研究[5]、信息加密[6]和材料加工[7-9]等領(lǐng)域體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值與潛力。

        目前,可產(chǎn)生徑向偏振光的方法已有多種, 比較典型的如晶體熱致雙折射效應(yīng)法[10]、模式疊加干涉法[11]、空間相位轉(zhuǎn)換法[12]等。第一種方法用于激光器諧振腔內(nèi),通過(guò)“濾波”對(duì)輸出模式進(jìn)行選擇,光路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜;后兩種方法都是通過(guò)在腔外對(duì)線偏光進(jìn)行組合、變換來(lái)實(shí)現(xiàn)徑向偏振光輸出。據(jù)報(bào)道,利用CO2激光器[13]、Nd∶YAG放大器[14]、碟片多通放大器[15]和一個(gè)晶體-光纖相結(jié)合的放大器[16]已實(shí)現(xiàn)了CVBs最大功率達(dá)到3 kW的連續(xù)波(Continuous Wave,CW)輸出和平均功率超過(guò)600 W脈沖(QCW)輸出。傳統(tǒng)的氣體及固體激光器[17]相比于光纖激光器仍存在體積大、效率低、可靠性差、運(yùn)行及維護(hù)成本高等缺陷,所以基于光纖激光器實(shí)現(xiàn)大功率CVBs激光輸出是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

        2017年, Shankar等采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(Single-mode Fiber,SMF)和自定義空心光纖制作的新型全光纖熔接耦合器[18],通過(guò)適當(dāng)?shù)南辔黄ヅ鋵MF中的基模直接耦合到TM01或TE01模式,其效率分別為67%和85%,偏振純度分別可達(dá)70%和82%。2018年,Wan等首次以熔融模耦合器作為橫向模式轉(zhuǎn)換器和選擇器,以聲光調(diào)制器為主動(dòng)調(diào)Q元件,采用全光纖主動(dòng)調(diào)Q摻Y(jié)b激光器產(chǎn)生CVBs[19]。通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器,在重復(fù)頻率為30 Hz、泵浦功率為150 mW時(shí)得到了脈沖寬度為68 ns、脈沖能量為3.46 μJ、峰值功率為50.1 W的CVBs,測(cè)得的模式純度高達(dá)93.5%以上。2018年,Lin等報(bào)道了一個(gè)以增益開關(guān)LD作種子源的YDF主控振蕩器的功率放大器(Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA)系統(tǒng)[20],采用q波片作為模式轉(zhuǎn)換器,有效地將線偏振高斯光束轉(zhuǎn)換為空心環(huán)形徑向偏振光束,其平均功率為42 W,單脈沖能量為30.7 μJ,脈沖持續(xù)時(shí)間為110 ps。最終通過(guò)提高其重復(fù)頻率至5.468 MHz,實(shí)現(xiàn)了平均功率超過(guò)100 W的徑向偏振光輸出。

        本文搭建了一個(gè)高峰值功率、窄線寬、納秒脈沖全光纖MOPA激光器,系統(tǒng)采用全保偏結(jié)構(gòu)。通過(guò)渦旋波片將激光器輸出的線偏光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光,得到了平均輸出功率可達(dá)19.5 W、橫向剖面呈完美空心環(huán)形的徑向偏振渦旋光束,并采取PBS測(cè)量法測(cè)得其模式純度約為88.5%。目前,這種利用摻鐿光纖激光器產(chǎn)生10 ns量級(jí)、窄線寬又兼具高功率與高純度的徑向偏振光的研究在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道。

        2 模式轉(zhuǎn)換原理

        通過(guò)在腔外光路中引入空間相位轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)線偏振高斯光束向徑向偏振拉蓋爾-高斯光束的轉(zhuǎn)換。一束沿Z軸正向傳播的準(zhǔn)單色平面波的橫向電場(chǎng)可表達(dá)如下[11]:

        E(r,θ,z)=Er(r,θ,z)r+Eθ(r,θ,z)θ,

        (1)

        其中徑向偏振和角向偏振的電場(chǎng)分別為:

        Er=Escosθ+Epsinθ,

        (2)

        Eθ=Essinθ-Epcosθ,

        (3)

        其中:s和p表示橫向且互相正交的兩個(gè)電場(chǎng)矢量;r,θ為極坐標(biāo)下兩方向矢量。

        入射水平偏振光和實(shí)驗(yàn)中用到的渦旋波片的瓊斯矩陣表達(dá)式[21-22]分別為:

        (4)

        (5)

        由此,線偏振光透過(guò)渦旋波片后的電場(chǎng)變?yōu)椋?/p>

        (6)

        式(6)與徑向偏振光電場(chǎng)表達(dá)式(2)是一致的,說(shuō)明渦旋波片確實(shí)實(shí)現(xiàn)了由線偏光向徑向偏振光的轉(zhuǎn)換。

        3 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由多級(jí)摻鐿光纖(Yb-dopted Fiber,YDF)放大器、空間模式轉(zhuǎn)換元件及探測(cè)模塊組成。其中,種子源(Seed)采用1 064 nm窄線寬連續(xù)光纖激光器(NKT Photonics, Koheras New Basik Y10),其輸出功率為10 mW,線寬20 kHz。為彌補(bǔ)電光強(qiáng)度調(diào)制器(EOIM)的插入損耗,先對(duì)種子光進(jìn)行一次預(yù)放大。采用iXblue的EOIM (NIR-MX-LN-10)對(duì)連續(xù)種子光進(jìn)行調(diào)制,設(shè)置任意函數(shù)發(fā)生器調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度為10 ns,重復(fù)頻率為10 kHz,將得到的激光脈沖序列注入后面的5級(jí)YDF放大器鏈進(jìn)行放大。

        圖1 徑向偏振光輸出的YDF MOPA激光器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of Ytterbium-doped fiber MOPA laser with radially polarized beam output

        前兩級(jí)預(yù)放大器選用高摻雜保偏增益光纖(Nufern PM-YSF-HI-HP),纖芯直徑為6 μm,包層直徑為125 μm,光纖長(zhǎng)度分別取1 m 和1.5 m。信號(hào)光和泵浦光經(jīng)泵浦耦合器(PC)耦合進(jìn)增益光纖,其后的帶通濾波器(BPF)用于濾除剩余的泵浦光和由于芯層泵浦而產(chǎn)生的自發(fā)輻射光(ASE)。

        為進(jìn)一步提高脈沖信號(hào)的光功率,后3級(jí)包層泵浦放大器均采用大模場(chǎng)雙包層摻Y(jié)b光纖作為增益介質(zhì),多模激光二極管(LD)作為泵浦源。第三和第四級(jí)包層泵浦放大器均通過(guò)一個(gè)(2+1)×1型合束器將最高功率為10 W的LD泵浦光耦合進(jìn)長(zhǎng)度分別為2 m和4 m的大模場(chǎng)保偏光纖(Nufern PLMA-YDF-10/125-M),其包層對(duì)976 nm泵浦光的吸收效率為4.95 dB/m。最后一級(jí)主放大器則采用具有更大模場(chǎng)的保偏光纖(Nufern PLMA-YDF-30/250-Ⅷ)用作增益介質(zhì),增益光纖長(zhǎng)度為4.5 m,對(duì)976 nm包層泵浦光的吸收效率為4.95 dB/m。LD泵浦源的最高輸出功率為30 W,結(jié)構(gòu)與前兩級(jí)包層泵浦放大器相同。3級(jí)主放大器的(2+1)×1型合束器均剩余一個(gè)泵浦端,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別通過(guò)測(cè)量其功率實(shí)現(xiàn)對(duì)反向光的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)反向光的功率出現(xiàn)非線性增長(zhǎng)時(shí),說(shuō)明主放大器中產(chǎn)生了受激布里淵散射(SBS)效應(yīng),應(yīng)停止增大泵浦光。同時(shí),為防止反向光對(duì)泵浦源和光纖器件造成損壞,各級(jí)放大器之后都設(shè)置了光隔離器(ISO)。另外,這里在第三級(jí)包層泵浦放大后做了12 cm的泵浦傾瀉(PS),通過(guò)剝除增益光纖的外包層并涂上高折膠(DSM 950-200,n=1.55),使外包層中傳播的泵浦光因不滿足全反射條件而溢出。最后,信號(hào)光經(jīng)帶尾纖的準(zhǔn)直器(collimtor)輸出,準(zhǔn)直光斑直徑為3 mm。

        在準(zhǔn)直器之后,這里使用一個(gè)液晶聚合物(LCP)渦旋半波片(Thorlabs WPV10L-1064)作為橫向空間模式轉(zhuǎn)換器。LCP渦旋波片由兩塊直徑23 mm、厚度1 mm的N-BK7玻璃片及夾在中間的LCP薄膜組成,使用光取向技術(shù)設(shè)置LCP分子的方向,生成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的快軸,旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位于波片的中心。LCP渦旋波片對(duì)通過(guò)它的1.064 μm的偏振激光提供恒定的半波延遲,而其快軸的方向θ關(guān)于波片的方位角φ不停旋轉(zhuǎn),遵循如下的方程:θ=φ/2+δ(δ是φ=0時(shí)波片快軸的方向角)。因此,當(dāng)渦旋波片的快軸相對(duì)于入射線偏振高斯光束的角度合適時(shí),可以形成不同的CVBs,包括徑向偏振和方位角偏振。該渦旋波片的傳輸效率高達(dá)98%以上,由此產(chǎn)生的矢量轉(zhuǎn)換光束在光束質(zhì)量方面的退化可以忽略不計(jì)。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        4.1 LCP徑向偏振光的輸出特性

        為獲得高峰值功率、窄頻譜帶寬的脈沖序列,光路中采用BPF濾除泵浦光與ASE,同時(shí)對(duì)前置放大器鏈的光纖長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化,使得由自相位調(diào)制(SPM)引起的頻譜展寬和由受激拉曼散射(SRS)誘導(dǎo)的功率轉(zhuǎn)移達(dá)到最小。

        圖2 包層泵浦主放大器的輸出光譜Fig.2 Spectra measured after cladding-pumped master amplifiers

        圖2是全光纖MOPA激光器在平均輸出功率為20 W時(shí),使用光譜儀(橫河6370C)測(cè)量的光譜分布,可見其中心波長(zhǎng)為1 064 nm,信噪比(信號(hào)光-泵浦光)大于30 dB,ASE也得到了很好的抑制。

        LCP渦旋波片安裝在一個(gè)5維可調(diào)的調(diào)整架上,這樣既可以保證信號(hào)光束能入射到波片的中心,同時(shí)也可以很容易地將它移入或從信號(hào)光路中移除,從而允許MOPA系統(tǒng)可根據(jù)需要在徑向偏振拉蓋爾高斯TM01模式和線偏振高斯LP01模式下切換。圖3顯示了MOPA系統(tǒng)在LP01(灰色)和TM01(紅色)模式下運(yùn)行時(shí)的平均輸出功率隨最后一級(jí)主放大器泵浦功率變化的函數(shù)(彩圖見期刊電子版)。由圖3可見,當(dāng)泵浦功率為26.5 W時(shí),獲得了平均輸出功率為19.5 W的TM01模徑向偏振光,計(jì)算可得它相對(duì)于泵浦功率的斜效率約為66%。相比之下,此時(shí)LP01模式的平均輸出功率為20.1 W,模式轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%。此時(shí),整個(gè)激光器系統(tǒng)總的注入泵浦功率為36.06 W,則系統(tǒng)的斜效率為54%。用200 MHz帶寬的光電探測(cè)器(CONQUER, PR-200M3150)和500 MHz帶寬的數(shù)字示波器(Tektronix, DPO4054B)直接測(cè)量光脈沖的時(shí)間分布,如圖4所示。在最大功率輸出時(shí),脈沖持續(xù)時(shí)間由調(diào)制后的10 ns減小到7.5 ns,這是由于在放大過(guò)程中強(qiáng)度更大的脈沖中心區(qū)域從主放大級(jí)提取的能量比脈沖前沿及后沿高得多,導(dǎo)致脈寬被壓縮[23]。

        圖3 TM01和LP01模式平均輸出功率隨注入泵浦功率的變化

        Fig.3 Average output power of TM01and LP01modes versus launched pump power

        圖4 經(jīng)EOIM和LCP渦旋波片調(diào)制后的脈沖時(shí)間分布Fig.4 Temporal pulse shapes after EOIM and LCP vortex retarder

        圖5(a)和圖5(b)分別顯示了LP01和TM01模式在最大功率輸出時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的光束強(qiáng)度分布圖。隨著輸出功率的增加,空心環(huán)形的強(qiáng)度剖面得到了很好的保持,并且如文獻(xiàn)[24]報(bào)道一樣,在輸出端設(shè)置一對(duì)1/4波片和1/2波片,可以有效地保持光束徑向偏振的狀態(tài)。

        圖5 最大功率運(yùn)行時(shí)的光束輪廓。(a)LP01模式;(b)TM01模式;(c)輸出20.03 W光束中心處的二維強(qiáng)度剖面;(d)~(g)光束經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)線偏振器后的光強(qiáng)分布

        Fig.5 Typical beam profiles at maximum output power. (a) LP01mode; (b) TM01mode; (c) One-dimensional intensity profile across the beam center at 20.03 W; (d)—(g) Beam intensity distributions after passing through a rotated linear polarizer

        圖5(c)為輸出功率為20.03 W時(shí)徑向偏振光的二維強(qiáng)度分布(沿圖5(b)中白線的方向),光斑中心處光強(qiáng)基本為零,兩側(cè)強(qiáng)度呈圓對(duì)稱分布,說(shuō)明此時(shí)得到的徑向偏振光束是比較理想的。圖5(d)~5(g)則顯示了當(dāng)通過(guò)并旋轉(zhuǎn)線偏振器時(shí)TM01模式的橫向強(qiáng)度分布,白色箭頭表明了偏振器的透振方向。

        在激光器輸出功率逐漸升高的過(guò)程中,徑向偏振TM01模光束的強(qiáng)度分布變化規(guī)律如圖6(a)~6(h)所示。由圖可見,光束剖面呈明顯的空心環(huán)形,橢圓度接近1(0.88~0.96不等)且在不同功率水平下變化并不大(<10%)。由此認(rèn)為橢圓度是由輸出光束存在的像差引起的,即由光纖端面輸出的光束與光軸存在的微小角度偏差都會(huì)導(dǎo)致其橫向剖面橢圓度降低。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著輸出功率的增加,光束中心的強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)輕微增大的趨勢(shì),當(dāng)輸出功率大于20 W時(shí),中心強(qiáng)度不再嚴(yán)格等于0。這可能是由于放大器中產(chǎn)生了ASE,以及高泵浦功率條件下殘留的LP01模式得到了放大,這些都會(huì)造成徑向偏振光純度的降低。

        圖6 測(cè)量不同輸出功率下徑向偏振光束的強(qiáng)度分布Fig.6 Measured intensity profiles of radially polarized beam at different output powers

        4.2 LCP徑向偏振光純度檢測(cè)

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),徑向偏振光束的橢圓度隨輸出功率的升高會(huì)有所下降,原因應(yīng)是其模式純度發(fā)生了變化,現(xiàn)采用PBS(偏振分光棱鏡)測(cè)量法對(duì)其偏振特性進(jìn)行描述[25]。徑向偏振光可等效為無(wú)數(shù)線偏光的疊加,因此在經(jīng)過(guò)PBS時(shí), 將分為兩束偏振態(tài)互相垂直的水平偏振光(P光)和垂直偏振光(S光),而兩束光的占比將直接受到模式純度的影響。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示(彩圖見期刊電子版),深紅色方框即代表基于LCP渦旋波片的徑向偏振MOPA激光器系統(tǒng),在渦旋波片之后加入并旋轉(zhuǎn)PBS,通過(guò)CCD相機(jī)和功率計(jì)采集不同角度、不同位置處的強(qiáng)度分布和功率。綠色方框?yàn)楣鈴?qiáng)分布采集模塊,紫色方框?yàn)楣β什杉K,探測(cè)結(jié)果見圖8。

        圖7 PBS法測(cè)量徑向偏振光模式純度的實(shí)驗(yàn)裝置

        Fig.7 Experimental setup for measuring mode purity of radially polarized beam by PBS method

        圖8 不同偏振情況下的光強(qiáng)分布。(a)徑向偏振總光強(qiáng)分布;(b)~(e)徑向偏振光經(jīng)過(guò)PBS之后水平、左旋45°、豎直、右旋45°方向偏振光光強(qiáng)分布及其對(duì)應(yīng)功率(測(cè)試條件:徑向偏振光的平均輸出功率為15 W)

        Fig.8 Beam intensity distribution under different polarization states after PBS. (a) Total intensity distribution of radially polarized light; (b)~(e) Horizontal, left 45°, vertical and right 45° polarized light intensity distribution and its corresponding power after passing through PBS (test condition: the average output power of radial polarized light of 15 W)

        從數(shù)值可知,4個(gè)不同偏振方向光強(qiáng)分布差異性較小。此時(shí),可定量地描述徑向偏振光純度為:

        (7)

        其中:W是總功率,Wn分別對(duì)應(yīng)于圖8(b)~8(e)不同偏振方向。將各功率值帶入式(7)得到4種情況下偏振光的純度分別為86.4%, 92.8%,96%,80%,求其平均值為88.5%。純度上的差異說(shuō)明該系統(tǒng)輸出的徑向偏振光中混雜著未被LCP渦旋波片轉(zhuǎn)換的線偏振信號(hào)光,考慮到空間型LCP渦旋半波片的模式轉(zhuǎn)換效率無(wú)法達(dá)到100%,再加上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種誤差的引入,所以這種情況是不可避免的。

        同時(shí),出于工業(yè)加工對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,這里對(duì)模式純度進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試,結(jié)果如圖9所示。60 min之內(nèi)徑向偏振輸出的模式純度穩(wěn)定性可達(dá)3%以內(nèi)。

        圖9 60 min模式純度測(cè)試Fig.9 Mode purity test within 60 min

        5 結(jié) 論

        本文通過(guò)搭建一個(gè)全光纖保偏MOPA結(jié)構(gòu)YDF激光器系統(tǒng),獲得了平均輸出功率在20 W以上、窄線寬(測(cè)量值約為15 kHz)的納秒脈沖序列。該線偏振高斯光束是利用空間相位轉(zhuǎn)換法獲得徑向偏振光的理想光源,選用LCP渦旋半波片作為空間模式轉(zhuǎn)換器,最終獲得了平均功率可達(dá)19.5 W、橫向剖面呈規(guī)則的空心環(huán)形、模式純度約為88.5%的徑向偏振渦旋光束穩(wěn)定輸出,實(shí)現(xiàn)了由光纖激光器產(chǎn)生徑向偏振光,兼具高功率與高轉(zhuǎn)換效率(高純度)的優(yōu)勢(shì)?;趯?shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,我們通過(guò)提高激光器系統(tǒng)的偏振消光比和優(yōu)化空間光路設(shè)計(jì)來(lái)提高徑向偏振光束的模式純度,同時(shí)利用光纖耦合[26]對(duì)徑向偏振光功率進(jìn)一步放大。這樣一個(gè)高輸出功率、窄線寬和高純度的CVBs源,在高通量材料加工和超分辨率成像中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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