秦 沖

(1.河南科技大學 應(yīng)用工程學院，河南 三門峽 472000; 2.三門峽職業(yè)技術(shù)學院 汽車學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

眾多的科研人員對軸對稱場振幅分布與徑向(或方位角)偏振態(tài)的圓柱矢量光束(CVBs)開展了大量的研究工作，并取得了一些實用性的成果。從現(xiàn)有的研究進展來看，徑向偏振光具有高數(shù)值孔徑聚焦及徑向偏振等特性[6]，在材料加工工藝[1-3]、超分辨率成像[4-5]等領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景，潛力巨大。

隨著對于徑向偏振光研究的深入，已經(jīng)形成了多種類型的生產(chǎn)方法，不同的方法在具體原理及應(yīng)用效果上存在一定的差異性[7-9]，在實際應(yīng)用中需要綜合考慮效果及成本等因素，從而選擇最佳的方法。目前基于CO2激光器[10-11]、碟片多通放大器[12]等構(gòu)成的放大器已達到600 W脈沖正交連續(xù)波(QCW)以上的功率。與固體激光器等[13]類型相比，光纖激光器具有較高的效率和可靠性，成本較低，且便于進行安裝和部署，故而將其應(yīng)用于大功率CVBs激光輸出中。

Shankar等[14]設(shè)計的全光纖熔接耦合器是基于相位匹配的方式實現(xiàn)對標準單模光纖(SMF)基模的耦合，具體包括TM01、TE01兩種模式，對應(yīng)的偏振純度分別為70%、82%。Wan等[15]通過全光纖主動調(diào)品質(zhì)因數(shù)(Q)摻Y(jié)b激光器形成了CVBs，屬于在該領(lǐng)域研究中的重要突破，在特定參數(shù)條件下得到的純度超過了93.5%。Lin等[16]設(shè)計的主振蕩器功率放大(MOPA)系統(tǒng)實現(xiàn)了對線偏振高斯光束的有效轉(zhuǎn)換，繼而能夠得到對應(yīng)的環(huán)形偏振光束，在具體轉(zhuǎn)換過程中利用了q波片，脈沖能量和持續(xù)時間分別為30.7 μJ、110 ps，對應(yīng)的功率均值為42 W，采用適當增大重復頻率的方式，功率均值在達到5.468 MHz時已經(jīng)處于100 W以上。

本文針對全光纖MOPA激光器進行了分析和設(shè)計，包括系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計等。其中渦旋波片屬于關(guān)鍵部分，可以實現(xiàn)輸出線與偏振光之間的有效轉(zhuǎn)換，最終獲得了符合要求的徑向偏振渦旋光，其功率均值達到19.5 W，模式純度達到88.5%，填補了國內(nèi)在此領(lǐng)域研究的空白。

1 模式轉(zhuǎn)換原理

本次研究需要對線偏振高斯光束進行轉(zhuǎn)換，繼而得到對應(yīng)的徑向偏振光束。在轉(zhuǎn)換過程中采用不同的方法，最終將空間相位轉(zhuǎn)換器添加至腔外光路內(nèi)，可以滿足轉(zhuǎn)換的要求。本文針對模式轉(zhuǎn)換的基本原理進行介紹，首先假設(shè)在z軸正方向有準單色平面波傳播，則其橫向電場[8]為

E(r,θ,z)=Er(r,θ,z)r+Eθ(r,θ,z)θ

(1)

具體劃分為徑向、角向偏振，二者的電場依次為

Er=Escosθ+Epsinθ

(2)

Eθ=Escosθ-Epcosθ

(3)

式中：s、p為橫向且互相正交的兩個電場矢量；r、θ為極坐標下兩方向矢量。

入射水平偏振光、渦旋波片的瓊斯矩陣[17-18]為

(4)

(5)

式中φ為波片方位角。

結(jié)合上述分析得到經(jīng)過渦旋波片后的電場為

(6)

綜上所述，式(6)與式(2)吻合，由此可以認為線偏振光已成功轉(zhuǎn)換為徑向偏振光。

2 實驗裝置

本文對實驗裝置進行了合理的設(shè)計。本次實驗中采用徑向偏振光輸出的多級摻鐿光纖放大器(YDF MOPA)實驗裝置如圖1所示。由圖可知，整個裝置總體劃分為探測模塊、YDF放大器等部分，各個部分的結(jié)構(gòu)及功能存在差異性，需要通過正確的方式進行銜接才能實現(xiàn)整體的功能。本次實驗需要調(diào)制種子光，具體是基于EOIM(NIR-MX-LN-10)實現(xiàn)。種子源采用1 064 nm窄線寬連續(xù)光纖激光器，其輸出功率為10 mW，線寬為20 kHz。實驗中涉及多個過程，首先需要進行預(yù)放大處理，但在調(diào)制過程中需要設(shè)置重復頻率及脈沖寬度兩個參數(shù)，二者分別為10 kHz、10 ns，然后通過5級YDF放大器實現(xiàn)對脈沖的進一步放大處理。

圖1 徑向偏振光輸出的YDF MOPA實驗裝置

基于高摻雜保偏增益光纖實現(xiàn)預(yù)放大處理的過程，需要確保光纖參數(shù)可以達到使用的要求，其中長度依次設(shè)置為1.5 m、1 m，包層、纖芯直徑分別為?125 μm、?6 μm。泵浦耦合器(PC)屬于關(guān)鍵部分，可以實現(xiàn)對泵浦光、信號光之間的耦合，對于耦合的剩余部分需要通過濾波方法進行處理，而濾波過程則應(yīng)該基于信號特征選擇最優(yōu)的方法。常用的是帶通濾波方式，即設(shè)置合適的濾波頻段，以保證濾波后可滿足要求。另外，基于這種方式也可消除自發(fā)輻射光(ASE)。

在設(shè)計過程中結(jié)合應(yīng)用要求選擇后3級包層泵浦放大器的增益介質(zhì)，具體是基于雙包層摻Y(jié)b光纖實現(xiàn)。三、四級包層泵浦放大器可將多模激光二極管(LD)泵浦光耦合到保偏光纖內(nèi)，在此過程中需要采用(2+1)×1合束器；而對于最后一級則需要使用不同的增益介質(zhì)，具體是Nufern PLMA-YDF- 30/250-Ⅷ光纖。LD泵浦源和前兩級放大器基本一致。為了對反向光進行有效監(jiān)測，需要實現(xiàn)對功率的實時測定，依據(jù)其變化趨勢進行分析。如果功率呈增長趨勢，且存在明顯的隨機性，則可認為存在受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)，在這種情況下需要結(jié)束泵浦光增長的過程。除了上述設(shè)計外，光隔離器(ISO)同樣屬于必不可少的部分，基于這種設(shè)計方式提升了對于光纖器件的保護效果。針對第三級包層泵浦放大后進行了泵浦傾瀉(PS)，由此能夠?qū)崿F(xiàn)泵浦光的溢出，最終可以通過準直器對信號光進行輸出，并滿足使用的要求。

本次設(shè)計利用了成熟的液晶聚合物(LCP)渦旋半波片，其能達到較高的傳輸效率(超過了98%)，所以可以直接忽略矢量轉(zhuǎn)換光束在光束質(zhì)量上的退化。從結(jié)構(gòu)上可以將其劃分為N-BK7玻璃片、LCP薄膜等部分，其中N-BK7玻璃片的厚度和半徑依次是1 mm、11.5 mm，且需要使用兩個。LCP渦旋波片的作用是實現(xiàn)半波延遲，該過程保持了較高的穩(wěn)定性，快軸方向θ處于動態(tài)變化的狀態(tài)，和φ存在密切的關(guān)聯(lián)性，具體形式為θ=φ/2+δ(其中δ為φ=0°時波片快軸的方向角)。結(jié)合θ=φ/2+δ可知，在快軸和入射偏振光束保持適宜角度時即可得到需要的CVBs。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 LCP徑向偏振光的輸出特性

本研究基于實驗方法進行了分析，探討了LCP徑向偏振光的輸出特性。在具體實驗中通過柏克萊封包過濾器(BPF)消除泵浦光和ASE，然后對前置放大器光纖長度進行優(yōu)化處理，基于這種方式可以保證脈沖序列達到應(yīng)用要求。

依據(jù)采用的實驗裝置(見圖1)及設(shè)置的參數(shù)完成了實驗過程，并對實驗結(jié)果進行分析。包層泵浦主放大器的輸出光譜分布如圖2所示，此時的功率均值為20 W，由圖可看出，信噪比(信號光-泵浦光)>30 dB。此外，還有效地抑制了ASE。

圖2 包層泵浦主放大器的輸出光譜

對LCP渦旋波片位置進行合理設(shè)置，將其置于特殊的調(diào)整架中，不僅便于進行移出或移入，同時能夠?qū)⒐馐肷涞讲ㄆ行膮^(qū)域，基于這種方式可以保證MOPA系統(tǒng)在不同模式下進行切換(見圖3)。結(jié)合圖3可得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率，其中在泵浦功率達到26.5 W時，得到TM01、LP01兩種模式下的徑向偏振光功率均值分別為19.5 W和20.1 W，LP01轉(zhuǎn)換效率達到了97%。在這種情況下，總泵浦功率達到36.06 W，對應(yīng)的斜效率為54%。

圖3 TM01和LP01模式平均輸出功率隨注入泵浦功率的變化

本研究對光脈沖時間分布進行了測定分析，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，在最大功率輸出的情況下，脈沖持續(xù)時間呈現(xiàn)降低的趨勢，即從10 ns變?yōu)?.5 ns。針對該現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)這是由于在放大過程中強度更大的脈沖中心區(qū)域從主放大器提取的能量比脈沖前、后沿高，導致脈寬被壓縮。

圖4 經(jīng)EOIM和LCP渦旋波片調(diào)制后的脈沖時間分布

最大功率運行時的光束輪廓如圖5所示，其中圖5(a)、(b)分別為兩種模式下的光束強度分布。結(jié)合圖5(a)、(b)可看到，空心環(huán)形強度剖面基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，并未受到輸出功率變化的影響。另外，為了使光束徑向偏振處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以將1/2、1/4波片置于輸出端。

圖5 最大功率運行時的光束輪廓

由圖5(c)可知，在20.03 W時的光束基本處于最佳狀態(tài)，各個區(qū)域的強度分布特征不同，其中兩側(cè)處于圓對稱狀態(tài)，而中間位置趨向于0。此外，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)線偏振器后的強度分布如圖5(d)所示，圖中白色箭頭為透振方向。

本文探討了光束強度分布和輸出功率變化之間的關(guān)系，分析了輸出功率變化時所產(chǎn)生的影響。最終得到的結(jié)果如圖 6所示。由圖可知，在光束剖面上存在顯著的空心環(huán)，并且在輸出功率改變的情況下其對應(yīng)的橢圓度基本一致，并未出現(xiàn)顯著變化，總體保持在10%以內(nèi)。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是輸出光束的像差導致橢圓度的形成。根據(jù)本次實驗結(jié)果可知，光束強度受輸出功率改變的影響，二者存在微弱的正相關(guān)性，即輸出功率增大導致中心強度出現(xiàn)一定的增加，但增幅相對較小。另外，受到ASE形成等因素的影響，偏振光的純度降低，導致在超過20 W的情況下，中心強度已不等于0。

圖6 測量不同輸出功率下徑向偏振光束的強度分布

3.2 LCP徑向偏振光純度檢測

由圖6可知，輸出功率的變化導致橢圓度出現(xiàn)變化，二者表現(xiàn)為一定的負相關(guān)性，而這與模式純度的變化有關(guān)。本研究針對LCP徑向偏振光純度進行檢測分析，而采用方法的合理性會直接影響到檢測的效果，這里選擇了偏振分光棱鏡(PBS)測量法。通過PBS法可以將徑向偏振光等效為垂直、水平偏振光兩部分，分別用S、P表示，二者占據(jù)的比例不同，主要與模式純度直接相關(guān)。PBS法測量徑向偏振光模式純度的實驗裝置如圖7所示，在整個裝置中劃分為功率采集模塊、光強采集模塊等部分。圖中紅色虛線區(qū)域?qū)?yīng)MOPA系統(tǒng)，基于各部分的配合可以實現(xiàn)強度分布及功率的采集，最終得到的結(jié)果如圖8所示。

圖7 PBS法測量徑向偏振光模式純度的實驗裝置

圖8 在多種偏振條件下的光強分布

結(jié)合圖8中所示的結(jié)果可知，各個方向的光強分布總體是一致的，基本不存在顯著區(qū)別，此時可以得到徑向偏振光純度為

n=1,2,3,4

(7)

式中：Wn為各個偏振方向，與圖8(b)～(e)之間保持對應(yīng)；W為總功率。進一步針對模式純度進行計算，代入功率值，然后可得到對應(yīng)的純度，依次是86.4%、92.8%、96%、80%，在此基礎(chǔ)上計算對應(yīng)的均值為88.5%。純度上的差異說明該系統(tǒng)輸出的徑向偏振光中混雜著未被LCP渦旋波片轉(zhuǎn)換的線偏振信號光，其原因在于空間型LCP渦旋半波片的模式轉(zhuǎn)換效率無法達到100%，且實驗過程中存在各種誤差。

除了上述研究外，本研究還針對模式純度開展了重復測試，圖9為測試結(jié)果。徑向偏振模式純度經(jīng)1 h測試后，其穩(wěn)定性保持在3%以內(nèi)。

圖9 60 min模式純度測試

4 結(jié)束語

本文針對MOPA結(jié)構(gòu)YDF激光器系統(tǒng)進行研究和設(shè)計，由此得到了滿足使用要求的納秒脈沖序列，其中功率均值超過20 W。此次研究采用LCP渦旋半波片，獲得了穩(wěn)定的徑向偏振渦旋光束，根據(jù)測試結(jié)果可知模式純度和功率均值分別為88.5%、19.5 W，即達到了較高的轉(zhuǎn)換效率和功率。優(yōu)化了光路設(shè)計，從而使徑向偏振光束達到更高的模式純度。本文設(shè)計的CVBs源顯示出較大的應(yīng)用潛力，可應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域中，有助于提高材料加工的品質(zhì)。