牛峻峰,裴思琪,楊博義

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；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)

1 引 言

光是一種橫波,偏振是其本質(zhì)屬性,表征了光波的矢量性。相較于常規(guī)的均勻偏振光,如線偏振、橢圓偏振、圓偏振等,柱矢量光(Cylindrical Vertex Beam,CVB)的特點(diǎn)在于其偏振態(tài)呈現(xiàn)圓對(duì)稱分布,打破了空間分布上的一致性,屬于非均勻偏振。由于其中心位置偏振方向存在不確定性,導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)一個(gè)中心奇點(diǎn)。目前,在激光加工領(lǐng)域,尤其是針對(duì)航空應(yīng)用中精密壓力傳感器硬、脆材料刻槽、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片打孔、燃燒室碳化硅復(fù)合材料打孔及刻槽等,采用傳統(tǒng)的線偏振或圓偏振光源進(jìn)行加工時(shí),即使采用旋切打孔或改變激光入射角補(bǔ)償錐角的方式,其入口截面仍然會(huì)產(chǎn)生最小6°～7°的加工錐角。單純依靠?jī)?yōu)化外光路傳輸系統(tǒng)或激光加工頭結(jié)構(gòu)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)3°以內(nèi)的錐角控制,因此對(duì)激光加工光源提出了更高的要求。

柱矢量光,包括TM01模和TE01模,具有軸對(duì)稱的強(qiáng)度和偏振分布,強(qiáng)聚焦條件下會(huì)在平行于光軸的任意平面內(nèi)形成一個(gè)獨(dú)特且較強(qiáng)的局部縱向電場(chǎng)[1-2]。依托此特性,采用柱矢量光進(jìn)行激光焊接或切割時(shí)可實(shí)現(xiàn)加工速度提高1.5～2倍[3-4],進(jìn)行激光打孔時(shí)可獲得高寬深比的直孔[5],進(jìn)行微納材料加工時(shí)可獲得更優(yōu)良的仿生表面結(jié)構(gòu)[6]。因此,柱矢量激光加工具備更佳的質(zhì)量和更高的效率[7],是解決以上加工錐角技術(shù)瓶頸和提升加工效率的一套有效方案。除此之外,柱矢量光用作高分辨光學(xué)成像系統(tǒng)[8-9]的光源時(shí),可明顯提高成像的空間分辨率。同時(shí),超短脈沖、高峰值功率的TM01模,在強(qiáng)聚焦條件下會(huì)產(chǎn)生較大的光場(chǎng)梯度力和散射力,可用于粒子捕獲和引導(dǎo)[10],乃至直接用于粒子加速[11-12],從而突破傳統(tǒng)相干光場(chǎng)的經(jīng)典衍射極限。

以上以激光加工為主的工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝?、穩(wěn)定的柱矢量激光器提出了迫切的研制需求,然而國(guó)內(nèi)柱矢量激光技術(shù)的研究起步稍晚,全光纖的實(shí)現(xiàn)方式更多停留在科研論證階段,距離工程應(yīng)用仍然存在一定的差距。全光纖激光器與其他激光器相比,內(nèi)部無(wú)空間耦合器件和化學(xué)物質(zhì),因此具備可靠性更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)、更安全、更易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),更加適合工程應(yīng)用。

以TM01模和TE01模為代表的柱矢量光的產(chǎn)生,是突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限,開(kāi)拓新型矢量光場(chǎng)調(diào)控和工程應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)之一,近二十年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。采用傳統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)獲得柱矢量光的方式,主要是通過(guò)在固體或CO2激光器諧振腔內(nèi)部插入特殊設(shè)計(jì)的錐形元件[13]、雙折射元件[14]、干涉元件[15]、亞波長(zhǎng)光柵[16]等實(shí)現(xiàn)高階本征模式的直接振蕩,或在諧振腔外插入偏振扭轉(zhuǎn)元件[17]、軸向選模波導(dǎo)[18]等實(shí)現(xiàn)LP01模向高階矢量模的轉(zhuǎn)換,此類激光器可獲得百瓦級(jí)以上的高功率輸出,但普遍存在可靠性差、熱管理差、系統(tǒng)龐大、光纖耦合難度高的應(yīng)用短板,不利于工程化推廣。相比之下,全光纖結(jié)構(gòu)具有與生俱來(lái)的天然優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)激光器系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,從而解決長(zhǎng)期以來(lái)柱矢量光無(wú)法工程應(yīng)用的難題。

2015年,德國(guó)漢諾威大學(xué)Pelegrina-Bonilla Gabriel團(tuán)隊(duì)[19]制作了一款基于SMF-FMF模式選擇耦合器,耦合效率80 %,工作波長(zhǎng)905 nm。2017年,南京郵電大學(xué)張祖興團(tuán)隊(duì)[20]基于通訊波段SMF與TMF的非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu),利用弱熔合技術(shù)制作模式選擇耦合器,并搭建8字形鎖模諧振腔,獲得了中心波長(zhǎng)1556.3 nm,光譜帶寬3.2 nm,脈沖寬度17 ns的TM01模和TE01模輸出,模式純度分別為94.2 %和94.3 %,插入損耗0.65 dB。2018年,上海大學(xué)曾祥龍團(tuán)隊(duì)[21]采用實(shí)驗(yàn)室特制的1 μm波段的FMF設(shè)計(jì)了SMF-FMF非對(duì)稱模式選擇耦合器,并搭建SESAM被動(dòng)鎖模光纖激光器,獲得了平均功率75 mW的LP01模輸出,耦合效率89 %,中心波長(zhǎng)1043 nm,3 dB光譜帶寬14 nm,斜效率31 %。2020年,同課題組采用同款模式選擇耦合器和非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)1032～1040 nm可調(diào),脈寬28.4～41.8 ps可調(diào)的TM01模輸出[22]。2018年,西北工業(yè)大學(xué)毛東團(tuán)隊(duì)[23]研制了一款1.55 μm的SMF-FMF非對(duì)稱模式選擇耦合器,搭建了環(huán)形腔被動(dòng)鎖模激光器,獲得了脈寬39.2/31.9 ps～5.6/5.2 ps時(shí)/空域可調(diào)的TM01模/TE01模輸出。2019年,北京交通大學(xué)蔣友超團(tuán)隊(duì)[24]設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)型少模渦旋光纖,以該結(jié)構(gòu)型渦旋光纖作為T(mén)MF,與常規(guī)SMF制作了模式選擇耦合器,并搭建摻餌環(huán)形腔光纖激光器,獲得了中心波長(zhǎng)1550 nm、模式純度94 %的TM01模輸出。2019年,南京郵電大學(xué)張祖興團(tuán)隊(duì)[25]采用完全相同的兩根TMF研制了對(duì)稱雙模耦合器,搭建非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模環(huán)形光纖激光器,獲得了中心波長(zhǎng)1564.4 nm,脈寬2.552 ps,重頻3.96 MHz,平均功率1 mW的TM01模輸出,模式純度91 %。結(jié)合模式選擇耦合器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,本文基于模式選擇耦合器開(kāi)發(fā)了一套柱矢量全光纖激光器的可行解決方案。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用腔外脈沖調(diào)制、MOPA光纖放大的全保偏結(jié)構(gòu),搭建了如圖1所示的窄線寬線偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖光纖激光器。該激光器主要包括以下光學(xué)器件:窄線寬種子源(Narrow-Linewidth Seed,NL-Seed)、保偏光纖隔離器(Polarization-Maintaining optical fiber isolator,PM ISO)、980 nm單模泵浦源(Single-Mode Pump source at 980 nm,SM Pump@980 nm)、保偏波分復(fù)用器(Polarization-Maintaining Wavelength Division Multiplexing,PM WDM)、單模保偏摻鐿光纖(Single-Mode Polarization-Maintaining Ytterbium-Doped Fiber,SM-PMYDF)、保偏帶通濾波器(Polarization-Maintaining Band-Pass Filter,PM BPF)、模式選擇耦合器(Mode Selective Coupler,MSC)等。

圖1 窄線寬線偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖光纖激光器實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.1 Experimental scheme of narrow linewidth linearly polarized single-mode operating pulsed fiber laser

激光器采用前向纖芯泵浦的方式,將1064 nm的種子光和980 nm的泵浦光分別經(jīng)PM WDM耦合進(jìn)入SM-PMYDF中進(jìn)行單級(jí)功率放大。增益光纖則選用Nufern PM-YSF-HI-HP系列的單包層單模保偏摻鐿光纖,長(zhǎng)度設(shè)置為1 m,其纖芯/包層直徑為6/125 μm,纖芯吸收系數(shù)@975 nm為250 dBm/m。另外,PM BPF的中心波長(zhǎng)為1064 nm,濾波帶寬±0.2 nm,其作用是濾除放大過(guò)程中的正向ASE以及剩余泵浦光,從而獲得高的光譜信噪比。NL-Seed和PM BPF后端分別設(shè)置PM-ISO1-2,目的是用于隔離其后端獲得放大的反向ASE和信號(hào)光,從而保護(hù)前端器件不受損。然后在PM BPF1和PM ISO2之間插入電光強(qiáng)度調(diào)制器(Electro-Optic Intensity Modulator,EOIM),利用其光開(kāi)關(guān)的作用效果,設(shè)置RIGOL DG1022任意信號(hào)發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)的各項(xiàng)參量如所示,用以驅(qū)動(dòng)EOIM從而產(chǎn)生重復(fù)頻率10 kHz,脈沖寬度小于10 ns的激光脈沖信號(hào)。然而,低的重復(fù)頻率將導(dǎo)致激光功率的驟降,理論上通過(guò)EOIM調(diào)制后的脈沖信號(hào)僅有幾個(gè)微瓦的強(qiáng)度,因此本文在腔外脈沖調(diào)制后增設(shè)了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的纖芯泵浦放大器進(jìn)一步提升功率。兩級(jí)光纖放大器的光路設(shè)置與單級(jí)功率放大光路相同,區(qū)別僅在于新增兩級(jí)放大器的增益光纖長(zhǎng)度分別為0.9 m和1.2 m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)置NL-Seed激光器的工作波長(zhǎng)為1064 nm,設(shè)置SM Pump1@980 nm的輸出功率為200 mW,AWG的工作參數(shù)如表1所示,實(shí)驗(yàn)中逐漸增大SM Pump2@980 nm和SM Pump3@980 nm的輸出功率,先后測(cè)量PM ISO3和PM ISO4后的輸出功率和強(qiáng)度分布,并繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中AWG各參數(shù)列表Tab.1 List of parameters of AWG

圖2 脈沖光纖激光器的輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系Fig.2 Variation of output power of pulsed fiber laser with pump power

由此可見(jiàn),窄線寬線偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖光纖激光器新增兩級(jí)纖芯泵浦放大器的輸出功率均與泵浦功率呈線性正相關(guān),但是由于EOIM調(diào)制后極大的能量損耗,即便當(dāng)SM Pump2@980 nm的輸出功率增至250 mW時(shí),PM ISO3后的脈沖輸出功率也僅有420 mW。而當(dāng)SM Pump3@980 nm的輸出功率增至260 mW時(shí),PM ISO4后的脈沖輸出功率最高達(dá)31.8 mW,放大倍數(shù)18.79 dB,斜效率16.88 %。

同樣,采用AvaSpec-2048光譜儀分別測(cè)量PM BPF3前、后端的輸出光譜分布,結(jié)果如圖3所示。光路中加入PM BPF3前,增益光纖中獲得放大的既有1064 nm的種子光又有1030 nm附近的ASE光,輸出尾端還殘留未被完全吸收的980 nm的泵浦光,這主要是由于進(jìn)入SM-PMYDF的脈沖信號(hào)光較弱,模式競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯造成的。

圖3 脈沖光纖激光器的輸出光譜分布Fig.3 Output spectrum of pulsed fiber laser

最后,采用帶寬200 MHz的光電探測(cè)器(Conquer,PR-200M3150)和帶寬500 MHz的數(shù)字示波器(Tektronix,DPO4054B),測(cè)量PM BPF3后端最大脈沖功率輸出時(shí)的時(shí)域分布特性,結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知輸出脈沖的周期為100 ns,重復(fù)頻率為10 kHz,由圖4(b)可知脈沖時(shí)間寬度為9.7 ns,與AWG的調(diào)制信號(hào)基本保持一致。

圖4 脈沖光纖激光器的時(shí)域分布特性Fig.4 Time domain distribution of pulsed fiber laser

將窄線寬線偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖光纖激光器的基模脈沖信號(hào)光注入待測(cè)耦合器,測(cè)試MSC在脈沖工作方式下的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),繪制結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知,MSC的輸出功率與注入的LP01模功率之間的作用規(guī)律與工作方式無(wú)關(guān),脈沖工作方式下也成線性正相關(guān),當(dāng)注入的LP01模功率為31.8 mW時(shí),FMF和SMF的輸出功率分別達(dá)到最高的22.3 mW和4.4 mW。

圖5 脈沖工作方式下MSC的技術(shù)參數(shù)測(cè)試Fig.5 Parameter test of MSC in pulsed operation

由圖5(b)、(c)、(d)可知,脈沖工作時(shí)耦合器61.52 %的LP11模平均轉(zhuǎn)換效率、70.12 %的平均分束比、小于0.7 dB的附加損耗和小于0.06 dB的功率穩(wěn)定性。

圖6描述了X和Y方向的LP11模純度隨注入待測(cè)耦合器的LP01模脈沖光功率的變化規(guī)律,兩個(gè)方向上的平均模式純度分別為99.64 %和99.61 %。

圖6 脈沖工作方式下獲得的LP11模純度Fig.6 LP11 mode purity in pulsed operation

4 結(jié) 論

本文利用全保偏MOPA結(jié)構(gòu)和腔外脈沖調(diào)制技術(shù),搭建了窄線寬線偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖光纖激光器,獲得了平均功率31.8 mW的脈沖激光輸出,后將其注入到MSC中,測(cè)得脈沖工作條件下LP11模的平均轉(zhuǎn)換效率61.52 %、平均分束比70.12 %、附加損耗小于0.7 dB、10 min功率穩(wěn)定性小于0.06 dB,X和Y方向上LP11模的平均模式純度分別為99.64 %和99.61 %。