[论文解读] 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 6

一句话总结

本文通过在偏振保持光纤中采用偏移拼接和交叉拼接以诱导双折射模式滤波，并结合偏振旋转技术（PRT）实现模式选择，首次在全偏振保持光纤激光器中实现了对LP11和OAM涡旋光束的选择性生成。线性腔结构实现了360°旋转的LP11模式，具有高稳定性；环形腔结构则生成了模式纯度高达96.55%的OAM±1涡旋光束。

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.

研究动机与目标

• 实现全偏振保持光纤激光器中选择性横向模式辐射。
• 克服在基于PMF的激光器中生成高纯度高阶模式（如LP11和OAM涡旋光束）的挑战。
• 开发一种紧凑的全光纤解决方案，利用偏移拼接与PRT技术实现稳定、偏振可控的模式选择。
• 展示线性腔与环形腔结构，实现多种模式的灵活生成。

提出的方法

• 在PMF段之间采用偏移拼接与交叉拼接，诱导双折射，形成选择性支持LP11模式的模式滤波器。
• 利用波片与PBS实施偏振旋转技术（PRT），控制偏振态并选择输出光束轮廓。
• 在线性腔结构中，通过PRT调控偏振演化，实现LP11模式的360°旋转。
• 在环形腔结构中，通过精确调控正交LP11模式之间的相位差，实现OAM涡旋光束的生成。
• 通过方位角强度分布的傅里叶级数分析量化模式纯度。
• 测试光纤弯曲与环境扰动，评估所生成模式的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全PM光纤激光器能否实现对LP11和OAM涡旋光束等选择性高阶横向模式的生成？
• RQ2 PMF中的偏移拼接与交叉拼接如何实现双折射诱导的模式滤波，以实现对LP11模式的选择？
• RQ3 PRT在多大程度上可实现线性腔中LP11模式的稳定、可控旋转？
• RQ4 PMF环形腔能否直接生成OAM±1涡旋光束且具有高纯度？
• RQ5 所生成的模式对光纤弯曲等环境扰动的鲁棒性如何？

主要发现

• 在全PM光纤线性腔中实验实现了360°旋转的LP11模式，证明其在机械扰动下仍具有高稳定性。
• LP11模式对光纤弯曲表现出高稳定性，在13 mm和5 mm弯曲半径下仅观察到微弱的强度波动。
• 全PM光纤环形腔成功直接从激光腔内生成了OAM±1涡旋光束。
• OAM+1模式的模式纯度达到91.1%，而OAM-1模式的纯度高达96.55%，基于方位角强度分布的傅里叶分析结果。
• 由于相位失配，OAM光束轮廓对扰动敏感，但可通过调节波片恢复。
• 该系统在LP11模式生成与高纯度OAM光束输出方面表现出优异鲁棒性，验证了全PM光纤激光器在先进模式分复用与光操控应用中的可行性。