軸對(duì)稱(chēng)矢量光束光纖激光器脈沖產(chǎn)生及效率增強(qiáng).pdf

1、軸對(duì)稱(chēng)矢量光束是指光束電場(chǎng)分布在光束橫截面上關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，是全矢量電磁波方程的軸對(duì)稱(chēng)解，常見(jiàn)的兩種軸對(duì)稱(chēng)矢量光束有徑向和角向偏振光束兩種分布。此類(lèi)光束可以通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)方法得到，在保證軸對(duì)稱(chēng)特性的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行操控的技術(shù)也被逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。此類(lèi)光束奇異的偏振特性導(dǎo)致了特殊的大數(shù)值孔徑聚焦特性，在高精度成像、金屬加工以及粒子操控領(lǐng)域內(nèi)有很重要的應(yīng)用。
　　少模光纖中的LP11模式由四種簡(jiǎn)并模式(TM01，TE01，HEeven21，H

2、Eodd21)組成，這四種模式均表現(xiàn)出軸對(duì)稱(chēng)偏振特性，其中TM01和TE01分別對(duì)應(yīng)徑向和角向偏振光束。利用錯(cuò)位耦合或者長(zhǎng)周期布拉格光柵可以實(shí)現(xiàn)少模光纖內(nèi)LP11模式的激發(fā)，但是很難在保證耦合效率的同時(shí)得到高純度的模式輸出，因此基于少模光纖光柵的模式選擇方案被提出用于高純度的軸對(duì)稱(chēng)矢量光束產(chǎn)生。
　　在本文中，我們介紹了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的數(shù)學(xué)特性及各類(lèi)產(chǎn)生方法，并基于光纖模式理論詳細(xì)闡述了少模光纖光柵的反射及模式選擇理論。本研究課題

3、得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的鎖模脈沖產(chǎn)生及諧振效率增強(qiáng)。本文主要的研究工作及成果如下:
　　1.通過(guò)在光纖激光器內(nèi)加入電光調(diào)制器結(jié)合錯(cuò)位耦合級(jí)聯(lián)少模光纖光柵的方式實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的鎖模脈沖輸出。實(shí)驗(yàn)得到的脈沖軸對(duì)稱(chēng)矢量光束重頻12.059MHz，脈寬2ns，并且激光器工作在極窄線寬的單波長(zhǎng)范圍內(nèi)，30dB光譜寬度0.2nm，極大的保證了輸出軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的模式純度。
　　2.基于碳納米管的可飽和吸收

4、特性，實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的超短脈沖被動(dòng)鎖模輸出。選擇損傷閾值高、工作波長(zhǎng)寬且偏振無(wú)關(guān)的碳納米管作為腔內(nèi)可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)的被動(dòng)鎖模，通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)PC實(shí)現(xiàn)了徑向偏振光束的超短脈沖輸出，得到的鎖模脈沖重頻10.61MHz，脈寬22.73ps。鎖模狀態(tài)下激光器輸出光譜被很好的限制在了少模光纖光柵的基模反射峰內(nèi)，30dB輸出譜寬0.3nm。通過(guò)模式積分方法計(jì)算得到的徑向偏振光束的模式純度為98.03％。
　　3.在全少模雙布拉格反

5、射光纖激光器中利用雙包層摻鐿光纖中增益飽和以及橫?？v向拍頻引起的橫場(chǎng)空間燒孔長(zhǎng)周期光柵，實(shí)現(xiàn)了諧振效率極大增強(qiáng)的軸對(duì)稱(chēng)矢量光束輸出。當(dāng)泵浦達(dá)到某閾值時(shí)，激光器輸出效率從13.36％突變?yōu)?2.48％，同時(shí)我們利用此類(lèi)光致長(zhǎng)周期光柵機(jī)制結(jié)合速率方程通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了其對(duì)于激光器諧振的影響。模擬結(jié)果得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的結(jié)論，并得到了LP01及LP11模式不同泵浦狀態(tài)下在激光器內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
　　4.為擺脫少模光纖光柵反射譜寬的限制，

6、設(shè)計(jì)了兩款寬譜的模式響應(yīng)器件。基于模式耦合理論提出了模式選擇耦合器的方案，并利用光纖熔融拉錐的方式初步驗(yàn)證了理論的合理性，此外還設(shè)計(jì)了基于PLC波導(dǎo)耦合的方案并提出了一種基于模式傳輸相干疊加的耦合理論解釋。此外設(shè)計(jì)通過(guò)光纖拉錐鍍膜形成的包層金屬化光纖實(shí)現(xiàn)了寬譜的角向偏振選擇輸出，并通過(guò)數(shù)值模擬詳細(xì)研究了錐區(qū)粗細(xì)、金屬膜厚以及工作波長(zhǎng)對(duì)不同模式損耗的影響。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.利用電光調(diào)制器結(jié)合錯(cuò)位耦合級(jí)聯(lián)少模

7、光纖光柵的方式，在保證激光器的窄譜運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的主動(dòng)鎖模輸出。
　　2.選擇損傷閡值高、工作波長(zhǎng)寬且偏振無(wú)關(guān)的碳納米管作為腔內(nèi)可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的自啟動(dòng)窄譜鎖模，并利用少模光纖光柵實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)矢量光束的超短脈沖輸出。
　　3.在全少模雙布拉格反射光纖激光器中利用雙包層摻鐿光纖中增益飽和以及橫模縱向拍頻引起的橫場(chǎng)空間燒孔長(zhǎng)周期光柵，實(shí)現(xiàn)了諧振效率極大增強(qiáng)的軸對(duì)稱(chēng)矢量光束輸出。并結(jié)合速率方程和光致長(zhǎng)周