[논문 리뷰] Selective transverse mode emission from all polarization-maintaining fiber lasers

Sha Wang, Hu, Xingwen외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 12.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 편광유지 섬유 레이저에서 오프셋 스플라이싱과 크로스 스플라이싱을 이용해 이중성 비율 기반 모드 필터링과 편광 회전 기술(PRT)을 통해 LP11 및 OAM 비틀림 광선을 선택적으로 생성함을 보여준다. 선형 캐비티는 고안정성으로 360° 회전하는 LP11 모드를 가능하게 하며, 루프 캐비티는 모드 순도가 최대 96.55%에 이르는 OAM±1 비틀림 광선을 생성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모든 편광유지 섬유 레이저에서 선택적 횡모드 방출을 달성하기 위해.
• PMF 기반 레이저에서 고순도 고차 모드인 LP11 및 OAM 비틀림 광선을 생성하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 오프셋 스플라이싱과 PRT를 활용한 컴act한 전체 섬유 솔루션을 개발하여 안정적이고 편광 제어가 가능한 모드 선택을 실현하기 위해.
• 다양한 모드 생성을 위한 선형 및 루프 캐비티 구성 방식을 실험적으로 구현하기 위해.

제안 방법

• PMF 세그먼트 간의 오프셋 및 크로스 스플라이싱이 이중성 비율을 유도하여 선택적으로 LP11 모드를 지지하는 모드 필터를 형성한다.
• 파라미터 제어를 위해 웨이브플레이트와 PBS를 사용한 편광 회전 기술(PRT)을 적용하여 편광 상태를 제어하고 출력 광선 프로파일을 선택한다.
• 선형 캐비티 구성은 PRT를 통한 편광 진화 제어를 통해 LP11 모드의 360° 회전을 가능하게 한다.
• 루프 캐비티 구성은 수직 방향의 LP11 모드 간의 위상 차이를 정밀하게 제어하여 OAM 비틀림 광선을 생성한다.
• 모드 순도는 애자이멀 강도 프로파일의 푸리에 급수 분석을 통해 정량화된다.
• 모드 생성의 안정성을 평가하기 위해 섬유 굽힘 및 환경적 외란을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 PM 섬유 레이저는 LP11 및 OAM 비틀림 광선과 같은 선택적 고차 횡모드를 생성할 수 있는가?
• RQ2 PMF에서의 오프셋 및 크로스 스플라이싱이 어떻게 이중성 비율 기반 모드 필터링을 통해 LP11 모드 선택을 가능하게 하는가?
• RQ3 PRT는 선형 캐비티에서 LP11 모드의 안정적이고 제어 가능한 회전을 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ4 PMF 루프 캐비티는 직접적으로 고순도 OAM±1 비틀림 광선을 생성할 수 있는가?
• RQ5 섬유 굽힘과 같은 환경적 외란에 대해 생성된 모드는 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 모든 PM 섬유 선형 캐비티에서 실험적으로 360° 회전하는 LP11 모드를 실현하였으며, 기계적 외란 상황에서도 안정적인 모드 회전을 입증하였다.
• LP11 모드는 섬유 굽힘에 대해 매우 안정적이었으며, 굽힘 반경 13 mm 및 5 mm에서 미미한 강도 변동만 관찰되었다.
• 모든 PM 섬유 루프 캐비티는 직접적으로 OAM±1 비틀림 광선을 성공적으로 생성하였다.
• OAM+1 모드는 애자이멀 강도 프로파일의 푸리에 분석 기반으로 91.1%의 순도를 달성하였고, OAM-1 모드는 96.55%의 순도를 기록하였다.
• 위상 불일치로 인해 OAM 광선 프로파일은 외란에 민감했지만, 웨이브플레이트 조절을 통해 복원 가능했다.
• LP11 모드 생성과 고순도 OAM 광선 출력에 대해 시스템은 뛰어난 내구성을 확보하였으며, 고급 모드 분할 multiplexing 및 광학 조작 응용 분야에서 모든 PM 섬유 레이저의 실현 가능성을 입증하였다.