[論文レビュー] Selective transverse mode emission from all polarization-maintaining fiber lasers

Sha Wang, Hu, Xingwen+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、偏光維持ファイバー（PMF）間のオフセット接続およびクロス接続を用いてバイフェアレンスに基づくモードフィルタリングを誘発し、偏光回転技術（PRT）を用いてモード選択を行うことで、すべて偏光維持ファイバー・レーザーにおいて、LP11およびOAMバーチカルビームの選択的発生を実証した。線形キャビティでは360°回転可能な高安定性なLP11モードを達成し、リーマンキャビティではモード純度が最大96.55%のOAM±1バーチカルビームを生成した。

ABSTRACT

We demonstrated an all polarization-maintaining fiber (PMF) laser which could offer selective transverse mode emission. Offset and cross splicing between PMF sections was used to generate higher order mode and to yield a birefringence induced mode filter. Polarization rotation technique (PRT) was used to select the output beam profile. Both linear cavity and ring cavity were explored. Experimentally, 360{\deg} rotating LP11 mode and OAM vortex beam with plus and minus 1 topological charges have been realized from an all PMF linear cavity laser and a ring cavity laser respectively.

研究の動機と目的

• すべて偏光維持ファイバー・レーザーにおける選択的横モード放射を達成すること。
• PMFを用いたレーザーで高純度の高次モード（例：LP11およびOAMバーチカルビーム）を生成する課題を克服すること。
• オフセット接続とPRTを用いたコンactな全ファイバー構成により、安定的で偏光制御可能なモード選択を実現すること。
• 多様なモード生成を可能にするために、線形およびリーマンキャビティ構成を実証すること。

提案手法

• PMFセグメント間のオフセットおよびクロス接続によりバイフェアレンスを誘発し、LP11モードを特異的に支持するモードフィルタを形成する。
• 波長板とPBS（偏光ビームスプリッター）を用いて偏光状態を制御し、出力ビームプロファイルを選択する偏光回転技術（PRT）を適用する。
• 線形キャビティ構成により、PRTによる偏光進化を制御することで、LP11モードの360°回転を実現する。
• リーマンキャビティ構成により、直交するLP11モード間の位相差を正確に制御することで、OAMバーチカルビームを生成する。
• モード純度は、方位角方向強度プロファイルのフーリエ級数解析を用いて定量する。
• ファイバー曲げや環境的摂動を評価するため、生成されたモードの安定性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべて偏光維持ファイバー（PMF）レーザーは、LP11およびOAMバーチカルビームなどの選択的高次横モードを生成できるか？
• RQ2 PMFにおけるオフセットおよびクロス接続は、どのようにバイフェアレンス誘発モードフィルタリングを介してLP11モード選択を可能にするか？
• RQ3 PRTは、線形キャビティ内でのLP11モードの安定的かつ制御可能な回転をどの程度可能にするか？
• RQ4 PMFリーマンキャビティは、直接的にOAM±1バーチカルビームを高純度で生成できるか？
• RQ5 ファイバー曲げなどの環境的摂動に対して、生成されたモードはどの程度耐性を示すか？

主な発見

• オール-PMファイバー線形キャビティにおいて、実験的に360°回転可能なLP11モードが実現され、機械的摂動下でも安定したモード回転が確認された。
• LP11モードはファイバー曲げに対して高い安定性を示し、曲げ半径13 mmおよび5 mmの条件下でもわずかな強度変動しか観測されなかった。
• オール-PMファイバー・リーマンキャビティは、直接的にOAM±1バーチカルビームを生成することに成功した。
• OAM+1モードのモード純度は91.1%、OAM-1モードは96.55%に達し、方位角方向強度プロファイルのフーリエ解析に基づいて評価された。
• OAMビームプロファイルは位相ミスマッチのため摂動に敏感であったが、波長板の調整により回復可能であった。
• LP11モード生成および高純度OAMビーム出力の両面で、システムは高い耐性を示し、すべて偏光維持ファイバー・レーザーが高度なモード分割多重および光操作応用に実現可能であることを裏付けた。