百兆赫兹重频的轨道角动量模式飞秒光纤激光器*

吴航 陈燎 李帅 杜禺璠 张驰 张新亮

(华中科技大学光学与电子信息学院,武汉光电国家研究中心,武汉 430074)

1 引言

自Allen 等[1]检测到携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的空间结构光后,OAM光凭借着特殊的螺旋相位 exp(ilφ) 分布、角向均匀的环形光强分布、lℏ 的轨道角动量等特性被应用到大容量通信系统、激光加工、微纳粒子操控、量子光学等领域[2–4].因此,方便快捷地产生OAM光束在近些年成为了研究热点.

产生OAM 光束可以采用模式转换器,将基模耦合到特定的OAM 模式中.这些模式转换器包括: 熔融石英材料制作的螺旋相位板[5]、构成π/2相位差和π 相位差转换器的柱透镜组[6],各点光轴方向不一样的Q 玻片[7]、超材料相位板[8]、可以加载不同螺旋相位信息的空间光调制器[9]、机械挤压形成周期性的光纤光栅[10]、可调谐的声栅[11]、氢氧焰加工而成的螺旋光栅[12]、激光器加工而成的各高阶模式长周期光纤光栅[13–17]、拉锥模式耦合器[18].除了模式转换器,还可以更方便地直接用激光器产生所需的模式.研究者们对实现特殊模式的激光器做出不少贡献,如: 利用 Cr4+:YAG 晶体作为饱和吸收体,光子晶体光栅作为偏振镜,产生径向偏振模式光脉冲[19–21].而将OAM 模式转换器引入激光器系统中则可以实现相应的OAM 模式激光器.如基于超材料相位板搭建的60 nm 带宽可调节OAM 激光器[22]、基于空间光调制器搭建的可重构可调节OAM 激光器[23]等.然而以上基于空间型器件的激光器往往有着体积大、成本高、难与光纤系统相匹配等劣势.光纤激光器具备结构紧凑、与光纤链路匹配的优点,因而全光纤OAM 激光器成为了研究热点.Zhao 等[24]用长周期光纤光栅作为模式转换器,以布拉格光纤光栅作为反射镜搭建了一二阶的OAM 模式激光器.然而,受限于布拉格光栅窄的反射带宽,该激光器只适合输出连续光,相比较于连续光激光器,锁模光纤激光器因为有着更窄的脉冲和更高的峰值功率,可望在大容量通信系统、激光加工、微纳粒子操控等领域得到更广泛的应用[25].Zhang 等[26]用机械挤压长周期光纤光栅作为模式转换器,两偏振控制器在环形谐振腔内通过非线性偏振旋转效应实现锁模,最终实现了脉冲宽度398 fs 的OAM 模式激光输出.此系统中,用作模式转化器的机械挤压式长周期光纤光栅功能上可以和用作分光的单模耦合器集成,实现激光器结构的简化.因此,Wang 等[27]基于单模光纤-少模光纤熔融拉锥而成的模式耦合器,搭建了脉冲宽度分别为273 fs 和140 fs 的一阶和二阶OAM模式飞秒光纤激光器.该激光器的3 dB带宽分别 为56.5 nm 和67.6 nm,重复频率 为36 MHz.本文期望在现有研究基础上,改善OAM 光纤锁模激光器的输出性能,提高重复频率,并进一步降低输出脉宽,扩大输出的光谱宽度,以便更好地应用在大容量通信系统、激光加工和微纳粒子操控等领域.

本文基于模式耦合器中模式的相位匹配原理,用强熔融拉锥法制作了3 dB偏振相关损耗的少模光纤一阶模式耦合器,用弱熔融拉锥法制作了0.3 dB偏振相关损耗的环芯光纤二阶模式耦合器,然后结合光纤激光器的非线性偏振旋转锁模机理[28],设计优化了激光器环形谐振腔的腔内色散:保持激光器内的净色散为接近零的负值,减小色散引起的脉冲展宽的同时,负色散引入的负啁啾可以与光纤中非线性引起的正啁啾相抵消,从而形成孤子;采用色散系数很小且为正的色散位移光纤可以精准的补偿控制腔内的色散.通过对腔内色散的优化控制,本文成功实现了百兆赫兹重复频率的OAM光纤锁模激光器输出,输出脉冲宽度可小于百飞秒,输出光谱宽度可超过百纳米.

2 模式耦合器设计

光纤中OAM 模式可以看作相应阶数的线性偏振(Linear Polarization,LP)模式的奇偶模相位差为±π/2 的模场叠加而成,如下:

其中l表示LP 模式的角向数,也即OAM 模式的拓扑荷数;m表示模式的径向数.本文采用光纤模式耦合器来实现基模向高阶LP 模式的耦合,然后再由偏振控制器调节LP 奇偶模式之间相位差为±π/2 叠加成相应的OAM 模式,耦合器结构如图1 所示.

图1 模式耦合器示意图.SMF,单模光纤;FMF,少模光纤;RCF,环芯光纤Fig.1.Schematic diagram of the mode coupler.SMF,single mode fiber,FMF,few mode fiber;RCF,ring core fiber.

该模式耦合器是由单模光纤(single mode fiber,SMF)与特种光纤(少模光纤(few mode fiber,FMF)、环芯光纤(ring core fiber,RCF)在氢氧焰的加热下熔融拉锥而成,基模(LP01模式)在耦合器的单模光纤端输入,其中部分能量在耦合区域耦合进特种光纤之中转化成高阶的模式,因此在耦合器的单模输出端依然输出基模而在特种光纤的输出端则为高阶LP 模式.模式的耦合满足耦合模方程[29],因此可以得到模式耦合的能量分布,如(2)式和(3)式所示:

其中,P01和Plm分别为LP01模式和LPlm模式的相对功率;K为LP01模式和LPlm模式之间的耦合系数;z为光在耦合区域传播的长度;β01和βlm分别代表LP01模式和LPlm模式的传播常数.F2表示两模式之间的最大耦合效率如(4)式所示.由此可知能量在单模光纤中的基模和特种光纤中的LPlm模式之间随着耦合长度的增大而周期性交替传递,当耦合区域长度满足(m=0,1,2···) 时,特种光纤输出端得到最大的耦合功率F2,特别地,当耦合器满足相位匹配条件即β01=βlm时,F2=1,能量完全由基模耦合到LPlm模式上.图2 为用Rsoft 对模式耦合器中模式耦合过程的仿真,图2(a)和图2(b)分别代表单模光纤中的基模与特种光纤中的LP11模式和LP21模式随着耦合区域中光的传播长度z的变化,能量在周期性地交替传递,与(2)式和(3)式相对应.图2(c)—(e)则表示基模耦合到特种光纤中的LP11模式模场分布随耦合长度变化半个周期8 mm 的截面图,图2(f)—(h)则表示基模耦合到特种光纤中的LP21模式模场分布随耦合长度变化半个周期10 mm 的截面图.故通过控制耦合长度可以实现耦合器分光比的调控.

图2 模式耦合器仿真图 (a),(b) 单模光纤中基模与特种光纤中的LP11 模式和LP21 模式之间能量分布随耦合长度z 的变化;(c)—(e) LP11 模式耦合器的模场分布图在半个耦合周期内的变化;(f)—(h) LP21 模式耦合器的模场分布图在半个耦合周期内的变化Fig.2.Simulation diagram of mode coupler: (a),(b) Change of energy distribution with coupling length z between fundamental mode in single-mode fiber and LP11 mode and LP21 mode in special fiber;(c)–(e) change of mode field distribution of LP11 mode coupler during a coupling period;(f)–(h) change of the mode field distribution of the LP21 mode coupler during a coupling period.

耦合器除了具有分光功能,还可以实现模式转换的功能,基于相位匹配条件,当单模光纤中基模与特种光纤中特定高阶模式LP11模式或LP21模式的有效折射率相等,可以实现特定高阶模式的转换输出.然而高阶模式的有效折射率低于基模的有效折射率,且单模光纤和特种光纤的材料和结构不同也导致了模式折射率的不同,通过熔融拉锥可以减小光纤的直径改变光场结构,使模式的有效折射率降低,将光纤拉锥成特定的直径可以实现模式之间的相位匹配,从而模式耦合.由于拉锥过程会导致光纤直径变细,束光能力减弱,拉锥到一定程度后,在耦合区域中,光纤纤芯里的光一部分会泄露到包层成为包层模,更容易实现能量的完全转化交替.

图3(a)为单模光纤(纤芯/包层直径为8 μm/125 μm,NA=0.13)和少模光纤(纤芯/包层直径为19 μm/125 μm,NA=0.12)拉锥制作的耦合器中基模和LP11模式的有效折射率随着光纤包层半径的变化.其中单模和少模光纤包层的折射率为1.444,模式在有效折射率低于1.444 时变为包层模,光在包层中进行传播和耦合.图3(a)中最终单模光纤纤芯半径为0.435 μm,包层半径为6.8 μm,少模光纤纤芯半径为1.7 μm,包层半径为11.2 μm的时候模式的有效折射率相等,光能从基模耦合到LP11模式.与此类似,图3(b)为单模光纤和环芯光纤(中心/芯层/包层直径分别为7 μm/16.7 μm/125 μm,NA=0.29)拉锥制作的耦合器中基模和LP21模式的有效折射率随着光纤包层半径的变化.最终得到单模纤芯半径为0.425 μm、包层半径为6.65 μm 时模式的有效折射率,与环芯光纤纤芯半径为1.85 μm、包层半径为13.85 μm 时的有效折射率相等,光能从基模耦合到LP21模式.由于单模光纤最终需要直径更小,为了使光纤直径得到匹配,故首先对单模光纤进行了预拉锥,一二阶模式耦合器分别将单模光纤拉锥至纤芯半径2.43 μm和1.92 μm,包层半径为37.95 μm 和30 μm.然后再和特种光纤共同拉锥得到上述结果.本文用强熔融拉锥技术拉制了一阶模式耦合器,较高的火温拉锥过程中对光纤进行了一定的破坏,产生的非对称性折射率调制导致的偏振相关损耗为3 d B,该方法得到的模式耦合器耐用性和稳固性更佳.用弱熔融拉锥技术拉制了二阶模式耦合器,拉锥过程中光纤结构较完整,经过测量偏振相关损耗仅为0.3 d B,该方法得到的模式质量更高且更容易进行锁模.本文的强熔融拉锥技术是基于分离式火头,加入大流量的氢气和氧气的情况下,产生1000 ℃高温的火焰,在拉锥过程中火头来回移动反复灼烧V 型槽里的两根光纤,破坏光纤的结构;弱熔融拉追锥技术则是基于一体式火头加入低流量的氢气和氧气,产生数百摄氏度的火焰,在拉锥过程中慢慢灼烧两根平行放置光纤的结点,使光纤紧密贴合在一起,此方法可以较为完整地保持光纤的结构.采用这两种拉锥技术制作的耦合器在本文合理的设计激光腔内结构下均能应用于百兆赫兹重复频率、百飞秒以内脉冲宽度的OAM 模式飞秒光纤激光器.

图3 (a) LP11 模式耦合器的相位匹配图;(b) LP21 模式耦合器的相位匹配图Fig.3.(a) Phase-matching diagram of the LP11 mode coupler;(b) phase-matching diagram of the LP21 mode coupler.

通过上述的理论分析可知,模式耦合器可以将基模耦合到高阶LP 模式,进而转化为相应阶数的OAM 模式.将模式耦合器放入环形谐振腔之中可以搭建相应模式的激光器.模式耦合器分光比的波长相关性对激光器的输出光谱特性有很大的影响,本文对制作的LP11模式和LP21模式耦合器分光比随波长的变化进行测量.图4(a)和图4(b)分别为一阶和二阶模式耦合器中LP11模式和LP21模式与基模的相对功率比随波长的变化曲线.图4(a)显示在中心波长1550 nm 处,分光比约为50∶50,而图4(b)所示分光比约为5∶95.LP21模式耦合器的光谱相对于LP11模式耦合器更加平坦是由于制作耦合器的工艺不同,弱熔融拉锥的分光比随波长的变化相对较小.基于图4 中的分光比随波长的变化,可以由单模端的输出光谱计算出特种光纤的输出光谱.

图4 (a) LP11 模式耦合器中LP11 模式与基模相对功率比随波长的变化;(b) LP21 模式耦合器中LP21 模式与基模相对功率随波长的变化Fig.4.(a) Relative power of LP11 mode to fundamental mode in LP11 mode coupler varies with wavelength;(b) relative power of LP21 mode to fundamental mode in LP21 mode coupler varies with wavelength.

3 实验系统及测量结果

3.1 一阶OAM 模式激光器参数测量

基于制作的一阶模式耦合器,搭建的一阶OAM模式激光器结构图如图5 所示.图5(a)和图5(b)分别是测试装置图和激光器的结构图.OAM 光纤激光器包含用于提供能量的最大功率为700 mW的980 nm 泵浦源、光学集成模块(隔离器、线偏振器、980 nm/1550 nm 波分复用器、90∶10 的耦合器)、Hi1060 光纤、用作增益介质的ER80 掺铒光纤、用于精准调控腔内色散的非零色散补偿光纤、用于控制腔内偏振态的两个偏振控制器(PC1 和PC2)、用于分光和耦合出高阶模式且损耗为0.9 dB 的50∶50 模式耦合器等部分.在谐振腔输出端口1 的耦合器分光比是90∶10,10%功率的光用于输出检测激光器的性能指标,剩余90%功率的光依然在腔内谐振;在输出端口2 的模式耦合器中50%功率的光由基模耦合到LP11模式并且在偏振控制器3 的作用下叠加成为一阶OAM 模式,剩余50%功率的光则在谐振腔内以基模的形式传播.激光器谐振腔中,由于模式耦合器是一个偏振相关器件,有3 dB的偏振相关损耗,偏振控制器2 的一个重要作用就在于补偿模式耦合器带来的偏振相关损耗.激光器的重复频率取决于环形腔的整体腔长.OAM 激光器的输出光谱宽度主要取决于腔内净色散、模斑转换器的工作带宽.在上文中通过精心设计模斑耦合器的相位匹配,耦合器的带宽实测都已经超过150 nm.因此,本激光器重点在于腔内净色散的匹配.一般而言,腔内净色散越小,光谱带宽越大,但这种净色散越小要求腔内色散匹配越精细.传统色散补偿光纤虽然能补偿单模光纤和增益光纤的色散,但由于其色散系数远大于这两者,实际很难精细匹配腔内净色散,因此报道的OAM 激光器光谱较难达到100 nm 量级.此外色散光纤模斑与单模光纤差异较大耦合损耗通常在3 dB以上.文中选择了色散位移光纤,其色散特性与色散补偿光纤相同,色散系数则与单模光纤和增益光纤量级相同可以进行精细色散匹配.此外其与单模光纤熔接损耗可忽略不计,因此无需较长增益光纤,从而保证OAM 激光器腔长较短重复频率较高.通过综合考虑色散和腔长等因素,选择的谐振腔光纤包含: 群速度色散参量–19.1 ps2/km的掺铒光纤27 cm;群速度色散参量–5.74 ps2/km的Hi1060 光纤18 cm;群速度色散参量–21.7 ps2/km的单模光纤64 cm;群速度色散参量7.65 ps2/km的色散位移光纤71 cm.激光谐振腔的净色散为–0.0146 ps2,总腔长为1.8 m.重复频率f=C/nL,L取1.8 m,标准单模光纤的折射率取1.46,则可以估算出f=114.2 MHz.

图5 一阶OAM 模式锁模激光器以及检测装置.OIM,光学集成模块;EDF,掺铒光纤;DSF,色散位移光纤;SMF,单模光纤;MSC,模式选择耦合器;PC,偏振控制器;ESA,电谱仪;OSA,光谱仪;OSC,示波器;SLM,空间光调制器;Obj,物镜;Pol,偏振器;HWP,半波片;CCD,电荷耦合元件Fig.5.First-order OAM mode-locked laser and detector.OIM,optical integrated module,EDF,erbium-doped fiber;DSF,dispersion-shifted fiber;SMF,single-mode fiber;MSC,mode-selective coupler;PC,polarization controller;ESA,electrical spectrum analyzer;OSA,optical spectrum analyzer;OSC,oscilloscope;SLM,spatial light modulator;Obj,objective;POL,polarizer;HWP,half-wave plate;CCD,charge-coupled device.

图5(a)上区域为监测激光器指标的仪器,包含光谱仪、电谱仪、示波器、自相关仪;下区域为检测OAM 模式的实验装置,原理类似于柱透镜压缩光场[30],激光器2 号输出端的LP 模式的光经过偏振控制器的调节后可以实现模式的叠加形成相应的OAM 模式.光束经过40×物镜的准直成平行光进入加载有相位信息的空间光调制器后被衍射到CCD 中,通过观察CCD 中的模场分布可以检验出OAM 模式是否产生.由于空间光调制器上的信息只对于特定方向的偏振光起作用,因此,在空间光调制器前方加入了线偏振器和半玻片控制入射光的偏振态.

光纤锁模激光器的输出特性如图6 所示,图6(a)是光谱仪测量的激光器输出带宽,10 dB 带宽有101.4 nm.图6(b)是用电谱仪测量的频谱图,可以观测到信噪比为70 dB,且重复频率为113.6 MHz.图6(c)是用示波器检测的脉冲序列示意图,相邻脉冲之间相隔8.8 ns,对应于6(b)中的重复频率.图6(d)表示用自相关仪检测后经过洛伦兹线型拟合的脉冲半高全宽是98 fs.这些测量的参数指标证明了搭建的一阶OAM 模式光纤激光器重复频率超过100 MHz,输出脉冲光谱宽度超过100 nm,脉冲宽度小于100 fs.

图6 一阶OAM 模式锁模激光器的指标检测 (a) 激光器输出光谱;(b) 电谱仪测量下的频率成分;(c) 激光器输出锁模脉冲序列;(d) 自相关仪测量的洛伦兹拟合脉冲Fig.6.Target detection of the first-order OAM mode-locked laser: (a) Output optical spectrum of laser;(b) frequency component measured by electrical spectrum analyzer;(c) output mode-locked pulse sequence of laser;(d) Lorentz mode-locked pulse measured by autocorrelator.

3.2 二阶OAM 模式激光器参数测量

类似于一阶OAM 模式激光器,基于弱熔融拉锥技术制作的LP21模式耦合器搭建的二阶OAM 模式激光器结构如图7 所示,整体结构和一阶OAM 模式激光器相似,但是由于该LP21模式耦合器的偏振相关损耗仅仅0.3 d B,可以看作偏振无关器件,因此腔内除了集成偏振控制器件之外没有另外的偏振控制器,更易于锁模.模式耦合器中单模输出的基模和环芯光纤输出的LP21模式分光比为95∶5,耦合器的损耗为5.5 d B.为了弥补耦合器本身损耗带来的腔内功率值低,980 nm 泵浦源改成最大输出功率为1 W.同样地,综合考虑色散和腔长等因素,谐振腔中光纤包含掺铒光纤27 cm,Hi1060 光纤13 cm,单模光纤53 cm,色散位移光纤85 cm.其中各种类型光纤群速度参数与一阶激光器相同,谐振腔的净色散为–0.0109 ps2,总腔长为1.78 m,可以估算出重复频率为115.4 MHz.

图7 二阶OAM 模式锁模激光器.OIM,光学集成模块;EDF,掺铒光纤;DSF,色散 位移光纤;SMF,单模 光纤;MSC,模式选择耦合器;PC,偏振控制器Fig.7.Second-order OAM mode-locked laser and detector.OIM,optical integrated module;EDF,erbium-doped fiber;DSF,dispersion-shifted fiber;SMF,single-mode fiber;MSC,mode-selective coupler;PC,polarization controller.

图8 可以观察到测量的二阶OAM 模式激光器的输出性能指标,图8(a)是光谱仪测量的激光器输出光谱图,可测量得到10 dB带宽达100 nm.但是光谱整体图和一阶模式激光器的光谱相比较形状发生改变,这是由耦合器本身的结构不同以及腔内各光纤长度不同导致的非线性不一样引起的变化.图8(b)是用电谱仪测量的频谱图,可以观测到信噪比为60 dB,且重复频率为114.9 MHz.图8(c)是用示波器检测的脉冲序列示意图,相邻脉冲之间相隔8.7 ns,对应于图8(b)中的重复频率.图8(d)则表示用自相关仪检测后经过洛伦兹线型拟合的脉冲半高全宽是60 fs.这些参数证明了本文搭建的二阶OAM 光纤锁模激光器重复频率达到了114.9 MHz,输出脉冲宽度达到60 fs.

图8 二阶OAM 模式锁模激光器的指标检测 (a) 激光器输出光谱;(b) 电谱仪测量下的频率成分;(c) 激光器输出锁模脉冲序列;(d) 自相关仪检测的洛伦兹拟合脉冲Fig.8.Target detection of the second-order OAM mode-locked laser: (a) Output optical spectrum of laser;(b) frequency component measured by electrical spectrum analyzer;(c) output mode-locked pulse sequence of laser;(d) Lorentz fitting pulse measured by autocorrelator.

图9 给出了测量的激光器输出功率与泵浦功率之间的关系.图9(a)为一阶OAM 模式激光器输入输出功率关系曲线,其中蓝线和红线代表从谐振腔端口1 输出的单模光纤基模功率,黑线和绿线代表谐振腔输出端口2 输出的少模光纤OAM 的功率.当泵浦功率低于295 mW 时,激光器里各纵模之间相位差随机,处于非锁模状态,输出杂散的连续光,激光器输出功率随泵浦功率的增大而线性增大.当泵浦功率高于295 mW 时,在非线性偏振旋转的作用下实现了锁模,此时会输出超短脉冲光,输出功率会有明显的跳变.图9(b)为二阶OAM 模式激光器的功率曲线,其中的锁模阈值为555 mW,相比于一阶OAM 模式激光器的阈值更大,其原因在于其采用的LP21模式耦合器插入损耗为5.5 dB,而一阶OAM 模式激光器中LP11模式耦合器只有0.9 dB的插入损耗.为了防止二阶模式耦合器本身损耗影响腔内锁模,故耦合器在制作时候采用的单模输出端与LP21模式输出比为95∶5,以保证腔内稳定的锁模.同时由于耦合器分光比的不同,一二阶OAM 模式激光器最终输出端激光的功率也不同,一阶OAM 模式激光器的少模端OAM 模式输出功率高,二阶OAM 模式激光器的单模端基模输出功率相对要高.

图9 (a) 一阶OAM 模式激光器输出功率与泵浦功率之间的函数关系;(b) 二阶OAM 模式激光器输出功率与泵浦功率之间的函数关系Fig.9.(a) Functional relationship between the output power of the first-order OAM-mode laser and the pump power;(b) functional relationship between the output power of the second-order OAM-mode laser and the pump power.

在上述两种激光器的测试实验过程中,两种激光器都可以实现开机自启动,并且测量前后的输出功率、光谱带宽、脉冲宽度基本一致,其中一阶OAM 激光器在短期内稳定性较好.由于一阶耦合器偏振相关损耗较大,容易因外界湿度、温度、振动等影响导致偏振相关损耗变化引起激光器不能自启动,此时只需要重新调节偏振控制器补偿偏振相关损耗变化,锁模后激光器将再次处于稳定状态.相比较而言,基于弱熔融拉锥法制作的二阶OAM 激光器由于耦合器的偏振相关损耗可忽略不计,激光器的偏振相关性主要由偏振控制器决定,因此激光器可以在一个月内长期维持自启动的状态.

4 讨论与分析

通过上述的实验结果可知,无论是用少模光纤还是环芯光纤,无论是偏振相关或是偏振无关的耦合器,无论是一阶模式耦合器还是二阶模式耦合器,都能够通过适当的腔内结构设计,实现百兆赫兹重复频率、百飞秒内脉冲宽度、百纳米输出光谱宽度的锁模光纤激光器.由于色散会导致脉冲展宽,因此需要对腔内色散进行补偿,本文腔内采用色散位移光纤的色散系数较之文献[27]中的正色散补偿光纤小了很多,更方便地进行光纤长短的变化来改变腔内的色散,又因为负色散引入的负啁啾可以与光纤中一定程度的自相位调制引入的正啁啾抵消形成孤子,因此使其维持很小的负色散量可以更好实现大带宽与窄脉冲的要求.

以上实验结果证明了激光器的性能指标得到了提升,但还需要进一步地验证激光器中特种光纤端输出的是特定的OAM 模式.因此采用图5 左下角装置进行验证.当不调节偏振控制器且空间光调制器上不加载信息时,CCD 上可以观测到的模场如图10(a)—(d)所示,两瓣的亮斑代表LP11模式偶模和奇模,四瓣的亮斑代表LP21模式的偶模和奇模.在合适地调节偏振控制器后,LP 模式的奇偶模式之间形成±π/2 的相位差且模式比例为1∶1 时会叠加形成图10(e)—(h)所示的圆环形光场,为了验证图10(e)和图10(f)是否为OAM±1模式,图10(g)和图10(h)是否为OAM±2模式,在空间光调制器上加载了一个等效于柱透镜的相位,待检测的环形光场经过空间光调制器的调制后衍射进入CCD,得到的光场如图10(i)—(l)所示,图10(i)和图10(j)两个不同方向的两条明条纹代表着OAM±1模式,图10(k)和图10(l)两个不同方向的三条明条纹代表着OAM±2模式.因此,经过实验的验证,一阶OAM 模式激光器与二阶OAM 模式激光器都成功地产生了相应的OAM模式.

图10 一阶和二阶模式激光器输出模场 (a) 模式;(b) 模式;(c) 模式;(d) 模式;(e) OAM–1 模式;(f) OAM+1模式;(g) OAM–2 模式;(h) OAM+2 模式;(i)—(l) 分别代表着图(e)—(h)经过空间光调制器上加载的柱透镜相位调制后衍射的模场Fig.10.Output mode fields of first-order mode and second-order mode laser: (a) mode;(b) mode;(c) mode;(d) mode;(e) OAM–1 mode;(f) OAM+1 mode;(g) OAM–2 mode;(h) OAM+2 mode;(i)–(l) represent the mode fields of panels(e)–(h) diffracted by the spatial light modulator loading phase of the cylindrical lens.

将当前文献报道其他激光器性能和指标与本文激光器进行了比较,如表1 所列,按不同的模式转换器分类如下: 错位熔接光纤(OSS)[31]、熔融拉锥耦合器(FBT)[27,32]、长周期光纤光栅(LPFG)[33,34]、布拉格光栅(FBG)[35]、声致光栅(AIFG)[36,37],以及空间器件(Space)[38].通过以上的对比可知,本文OAM 模式激光器的性能指标在全光纤型激光器中有着更高重复频率,更大光谱带宽,更窄脉冲宽度等优势,是首个同时实现百兆赫兹重复频率、百飞秒以内脉冲宽度和百纳米输出光谱宽度的OAM 模式光纤激光器.该激光器性能指标的实现得益于选用了能够精准调节腔内色散的色散位移光纤,相比较于传统的色散补偿光纤色散系数小了一个数量级,因此能够更好地调节腔内色散,实现大光谱带宽、窄脉冲宽度的指标.另外,该光纤的直径为8 μm 与单模光纤相同,相比于DCF 高达3 dB 的熔接损耗可以忽略不计,因此只需较短增益的EDF,从而保证了整体腔长较短,实现高重复频率.此外,本文分析对比了强熔融拉锥和弱熔融拉锥耦合器对激光器锁模的影响,完整地表述了耦合器有无偏振相关性都能实现高指标性能的激光器.该激光器还能与OAM 放大器[39]配合使用,应用于光通信、激光加工等领域.

表1 当前其他激光器性能和指标与本文激光器的比较Table 1.Performance and index of other lasers are compared with the laser in this paper.

5 结论

本文通过强熔融拉锥法制作了损耗0.9 dB 且PDL3 dB的单模光纤-少模光纤的LP11模式耦合器.通过弱熔融拉锥法制作了损耗5.5 dB 且PDL0.3 dB的单模光纤-环芯的LP21模式耦合器.通过设计和优化激光谐振腔内结构,基于以上两种耦合器搭建了百纳米带宽、百兆赫兹重复频率、百飞秒脉冲半高全宽的OAM 模式光纤激光器,其中一阶OAM 模式激光器10 dB 带宽101.4 nm,重复频率113.6 MHz,脉冲半高全宽98 fs;二阶OAM 模式激光器10 dB 带宽100 nm,重复频率114.9 MHz,脉冲半高全宽60 fs.与其他OAM 模式光纤激光器相比,提高了光谱宽度、重复频率,压窄了脉冲宽度,为进一步实现大带宽高重频窄脉冲的OAM 激光器开拓了道路,可广泛应用于手性纳米结构以及OAM 光频梳等领域[40].