基于LCP徑向偏振光輸出的摻鐿MOPA脈沖光纖激光器

賈文增，劉學勝*，司漢英，楊 松，王智勇

(1.北京工業大學 北京市激光應用技術工程技術研究中心， 北京 100124；2.北京工業大學 跨尺度激光成型制造技術教育部重點實驗室， 北京 100124；3. 北京工業大學 激光工程研究院，北京 100124；4. 光電信息控制和安全技術重點實驗室，天津 300308)

1 引 言

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

目前，可產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法[10]、模式疊加干涉法[11]、空間相位轉換法[12]等。第一種方法用于激光器諧振腔內，通過“濾波”對輸出模式進行選擇，光路設計較為復雜；后兩種方法都是通過在腔外對線偏光進行組合、變換來實現徑向偏振光輸出。據報道，利用CO2激光器[13]、Nd∶YAG放大器[14]、碟片多通放大器[15]和一個晶體-光纖相結合的放大器[16]已實現了CVBs最大功率達到3 kW的連續波(Continuous Wave，CW)輸出和平均功率超過600 W脈沖(QCW)輸出。傳統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、運行及維護成本高等缺陷，所以基于光纖激光器實現大功率CVBs激光輸出是近年來的研究熱點。

2017年， Shankar等采用標準單模光纖(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]，通過適當的相位匹配將SMF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70%和82%。2018年，Wan等首次以熔融模耦合器作為橫向模式轉換器和選擇器，以聲光調制器為主動調Q元件，采用全光纖主動調Q摻Yb激光器產生CVBs[19]。通過調節腔內的偏振控制器，在重復頻率為30 Hz、泵浦功率為150 mW時得到了脈沖寬度為68 ns、脈沖能量為3.46 μJ、峰值功率為50.1 W的CVBs，測得的模式純度高達93.5%以上。2018年，Lin等報道了一個以增益開關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[20]，采用q波片作為模式轉換器，有效地將線偏振高斯光束轉換為空心環形徑向偏振光束，其平均功率為42 W，單脈沖能量為30.7 μJ，脈沖持續時間為110 ps。最終通過提高其重復頻率至5.468 MHz，實現了平均功率超過100 W的徑向偏振光輸出。

本文搭建了一個高峰值功率、窄線寬、納秒脈沖全光纖MOPA激光器，系統采用全保偏結構。通過渦旋波片將激光器輸出的線偏光轉換為徑向偏振光，得到了平均輸出功率可達19.5 W、橫向剖面呈完美空心環形的徑向偏振渦旋光束，并采取PBS測量法測得其模式純度約為88.5%。目前，這種利用摻鐿光纖激光器產生10 ns量級、窄線寬又兼具高功率與高純度的徑向偏振光的研究在國內外尚無報道。

2 模式轉換原理

通過在腔外光路中引入空間相位轉換器，實現線偏振高斯光束向徑向偏振拉蓋爾-高斯光束的轉換。一束沿Z軸正向傳播的準單色平面波的橫向電場可表達如下[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電場矢量；r，θ為極坐標下兩方向矢量。

入射水平偏振光和實驗中用到的渦旋波片的瓊斯矩陣表達式[21-22]分別為：

(4)

(5)

由此，線偏振光透過渦旋波片后的電場變為：

(6)

式(6)與徑向偏振光電場表達式(2)是一致的，說明渦旋波片確實實現了由線偏光向徑向偏振光的轉換。

3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，由多級摻鐿光纖(Yb-dopted Fiber，YDF)放大器、空間模式轉換元件及探測模塊組成。其中，種子源(Seed)采用1 064 nm窄線寬連續光纖激光器(NKT Photonics， Koheras New Basik Y10)，其輸出功率為10 mW，線寬20 kHz。為彌補電光強度調制器(EOIM)的插入損耗，先對種子光進行一次預放大。采用iXblue的EOIM (NIR-MX-LN-10)對連續種子光進行調制，設置任意函數發生器調制信號的脈沖寬度為10 ns，重復頻率為10 kHz，將得到的激光脈沖序列注入后面的5級YDF放大器鏈進行放大。

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

前兩級預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，光纖長度分別取1 m 和1.5 m。信號光和泵浦光經泵浦耦合器(PC)耦合進增益光纖，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生的自發輻射光(ASE)。

為進一步提高脈沖信號的光功率，后3級包層泵浦放大器均采用大模場雙包層摻Yb光纖作為增益介質，多模激光二極管(LD)作為泵浦源。第三和第四級包層泵浦放大器均通過一個(2+1)×1型合束器將最高功率為10 W的LD泵浦光耦合進長度分別為2 m和4 m的大模場保偏光纖(Nufern PLMA-YDF-10/125-M)，其包層對976 nm泵浦光的吸收效率為4.95 dB/m。最后一級主放大器則采用具有更大模場的保偏光纖(Nufern PLMA-YDF-30/250-Ⅷ)用作增益介質，增益光纖長度為4.5 m，對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，結構與前兩級包層泵浦放大器相同。3級主放大器的(2+1)×1型合束器均剩余一個泵浦端，實驗過程中分別通過測量其功率實現對反向光的實時監測，當反向光的功率出現非線性增長時，說明主放大器中產生了受激布里淵散射(SBS)效應，應停止增大泵浦光。同時，為防止反向光對泵浦源和光纖器件造成損壞，各級放大器之后都設置了光隔離器(ISO)。另外，這里在第三級包層泵浦放大后做了12 cm的泵浦傾瀉(PS)，通過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，信號光經帶尾纖的準直器(collimtor)輸出，準直光斑直徑為3 mm。

在準直器之后，這里使用一個液晶聚合物(LCP)渦旋半波片(Thorlabs WPV10L-1064)作為橫向空間模式轉換器。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，使用光取向技術設置LCP分子的方向，生成連續旋轉的快軸，旋轉點位于波片的中心。LCP渦旋波片對通過它的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關于波片的方位角φ不停旋轉，遵循如下的方程：θ=φ/2+δ(δ是φ=0時波片快軸的方向角)。因此，當渦旋波片的快軸相對于入射線偏振高斯光束的角度合適時，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98%以上，由此產生的矢量轉換光束在光束質量方面的退化可以忽略不計。

4 實驗結果與分析

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，同時對前置放大器鏈的光纖長度進行了優化，使得由自相位調制(SPM)引起的頻譜展寬和由受激拉曼散射(SRS)誘導的功率轉移達到最小。

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，使用光譜儀(橫河6370C)測量的光譜分布，可見其中心波長為1 064 nm，信噪比(信號光-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5維可調的調整架上，這樣既可以保證信號光束能入射到波片的中心，同時也可以很容易地將它移入或從信號光路中移除，從而允許MOPA系統可根據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系統在LP01(灰色)和TM01(紅色)模式下運行時的平均輸出功率隨最后一級主放大器泵浦功率變化的函數(彩圖見期刊電子版)。由圖3可見，當泵浦功率為26.5 W時，獲得了平均輸出功率為19.5 W的TM01模徑向偏振光，計算可得它相對于泵浦功率的斜效率約為66%。相比之下，此時LP01模式的平均輸出功率為20.1 W，模式轉換效率可達97%。此時，整個激光器系統總的注入泵浦功率為36.06 W，則系統的斜效率為54%。用200 MHz帶寬的光電探測器(CONQUER， PR-200M3150)和500 MHz帶寬的數字示波器(Tektronix， DPO4054B)直接測量光脈沖的時間分布，如圖4所示。在最大功率輸出時，脈沖持續時間由調制后的10 ns減小到7.5 ns，這是由于在放大過程中強度更大的脈沖中心區域從主放大級提取的能量比脈沖前沿及后沿高得多，導致脈寬被壓縮[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EOIM和LCP渦旋波片調制后的脈沖時間分布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遠場測量的光束強度分布圖。隨著輸出功率的增加，空心環形的強度剖面得到了很好的保持，并且如文獻[24]報道一樣，在輸出端設置一對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。

圖5 最大功率運行時的光束輪廓。(a)LP01模式；(b)TM01模式；(c)輸出20.03 W光束中心處的二維強度剖面；(d)～(g)光束經過旋轉線偏振器后的光強分布

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時徑向偏振光的二維強度分布(沿圖5(b)中白線的方向)，光斑中心處光強基本為零，兩側強度呈圓對稱分布，說明此時得到的徑向偏振光束是比較理想的。圖5(d)～5(g)則顯示了當通過并旋轉線偏振器時TM01模式的橫向強度分布，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程中，徑向偏振TM01模光束的強度分布變化規律如圖6(a)～6(h)所示。由圖可見，光束剖面呈明顯的空心環形，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導致其橫向剖面橢圓度降低。同時，在實驗過程中發現隨著輸出功率的增加，光束中心的強度會呈現輕微增大的趨勢，當輸出功率大于20 W時，中心強度不再嚴格等于0。這可能是由于放大器中產生了ASE，以及高泵浦功率條件下殘留的LP01模式得到了放大，這些都會造成徑向偏振光純度的降低。

圖6 測量不同輸出功率下徑向偏振光束的強度分布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

實驗發現，徑向偏振光束的橢圓度隨輸出功率的升高會有所下降，原因應是其模式純度發生了變化，現采用PBS(偏振分光棱鏡)測量法對其偏振特性進行描述[25]。徑向偏振光可等效為無數線偏光的疊加，因此在經過PBS時， 將分為兩束偏振態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。實驗裝置如圖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，在渦旋波片之后加入并旋轉PBS，通過CCD相機和功率計采集不同角度、不同位置處的強度分布和功率。綠色方框為光強分布采集模塊，紫色方框為功率采集模塊，探測結果見圖8。

圖7 PBS法測量徑向偏振光模式純度的實驗裝置

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分布。(a)徑向偏振總光強分布；(b)～(e)徑向偏振光經過PBS之后水平、左旋45°、豎直、右旋45°方向偏振光光強分布及其對應功率(測試條件：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)

從數值可知，4個不同偏振方向光強分布差異性較小。此時，可定量地描述徑向偏振光純度為：

(7)

其中：W是總功率，Wn分別對應于圖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%。純度上的差異說明該系統輸出的徑向偏振光中混雜著未被LCP渦旋波片轉換的線偏振信號光，考慮到空間型LCP渦旋半波片的模式轉換效率無法達到100%，再加上實驗過程中各種誤差的引入，所以這種情況是不可避免的。

同時，出于工業加工對系統穩定性的要求，這里對模式純度進行了重復測試，結果如圖9所示。60 min之內徑向偏振輸出的模式純度穩定性可達3%以內。

圖9 60 min模式純度測試Fig.9 Mode purity test within 60 min

5 結 論

本文通過搭建一個全光纖保偏MOPA結構YDF激光器系統，獲得了平均輸出功率在20 W以上、窄線寬(測量值約為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換器，最終獲得了平均功率可達19.5 W、橫向剖面呈規則的空心環形、模式純度約為88.5%的徑向偏振渦旋光束穩定輸出，實現了由光纖激光器產生徑向偏振光，兼具高功率與高轉換效率(高純度)的優勢。基于實驗中的問題，我們通過提高激光器系統的偏振消光比和優化空間光路設計來提高徑向偏振光束的模式純度，同時利用光纖耦合[26]對徑向偏振光功率進一步放大。這樣一個高輸出功率、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用前景。