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完美的环状光束 - 表面发射光纤激光器
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半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
无论在基础科学研究还是实际应用中,光纤激光器都有其独特的应用。目前包括连续波、锁模、调Q以及单频设计在内的多种光纤谐振腔型使不同性能的激光器大大增多。这些激光器利用光纤的波导特性提高增益,产生高光束质量、低发散角的轴向光束。光纤的其他特性,如柱对称结构、可靠通用的制作过程等还有待于在新型的的光纤激光器中充分利用。

2006年,Shapira 等人提出了一种可沿着光纤表面径向发射激光的新型光纤激光器。增益纤芯之外的包层构成了高质量的环形镜,从而可在垂直光纤轴向的平面内产生激光。理论上激光应是柱对称的,但利用轴向偏振光泵浦时由于柱状谐振腔与增益介质的相互作用,激光具有各向异性的波前。

Stolyarov等人在Nature Photonics上的文章报道了此方面研究的重要进展:利用布拉格光纤获得了各向同性的激光。在中空纤芯内填入的有机染料(若丹明590)掺杂的增益介质为角向各向同性。染料分子的快速重定位使增益介质对泵浦光的偏振不敏感,激光具有严格的柱状波前且沿幅角方向有精确的偏振。此外,研究者在光纤包层中引入轴向液晶微通道阵列对辐射方向进行精确控制。有趣的是,沿光纤长度方向可移动增益介质到任何位置,这使得其具有很多潜在应用。

利用布拉格光纤产生光的谐振的激光系统与之前的系统大不相同。1978年Yeh和Yariv把布拉格反射理论拓展到柱状结构并预测多层环状包层的光纤制作的可能,同时布拉格光纤也被首次提出。近几年,基于布拉格光纤的高功率激光器的概念被提出,其可以自选模且在大芯径时仍可单模运转。

Stolyarov等人提出的新型光纤光源中对布拉格光纤的利用与以往不同,其多层环形布拉格腔镜的反射具有双重作用(图a),使Nd:YAG激光器产生的532nm的线偏振泵浦光沿轴向传播同时染料掺杂区域的615nm的信号光沿径向传播。布拉格结构由35层交替相叠的As25S75与聚碳酸酯组合而成,纤芯为染料掺杂的80μm的增益介质。聚碳酸酯的外包层有负有碳棒的聚乙烯电极,通过改变电极上的电压使通过液晶的激光的偏振状态连续变化。

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(a) 布拉格多层包层轴向传导泵浦光同时径向对激光提供光反馈;
(b) 光纤截面内纯径向模式的形成

这种新型结构与薄片激光器在一些光学特性上很相似。每层处于激发态的增益介质与圆形的纤芯发射截面一起可看成发射激光的薄片。薄片中的光学谐振模式需要在柱对称的边界满足麦克斯韦方程,其谐振腔通常可支持两种谐振模式,一种为由m表示的幅角方向的模式,由于全内反射可认为其沿薄片内部传播,这类似于圣保罗教堂的声学效应,如图(左)。环向传播的波需要满足的周期性边界条件使得有效腔长为2πR及c/2πR的频率间隔,其中R为薄片的半径,c为薄片介质中的光速。这种模式与薄片的中间部分交叠极小,当增益均匀分布时其对激光的特性仅有很小的影响,其产生也需要特殊的泵浦机制。当m=-1,0或者1时会产生另一种径向传播的模式。反射镜与薄片中心构成谐振腔,有效往返腔长为2R。这种径向振荡模式的强度分布类似于水中的波纹,如图(右)。考虑高折射镜情形,这些振荡是具有c/2R频率间隔的横电模与横磁模。薄片中横磁模的产生需要很高的阈值增益,在增益对称分布时,通常产生m=0时的横电模,其远场光束仅包含幅角方向的电场。在Stolyarov等人的文章中这些特性均有提及。

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不同角动量m时的两种模式。
左:m>>1时圣保罗教堂的声波模式;右:m=0时静水中的径向模式

与薄片激光器不同的是,表面发射型光纤激光器中径向模式并没有消失(图a)。Stolyarov等人指出增益介质中的泵浦深度为100μm,这表明空间大部分柱状区域中存在相干辐射,面发射的同相激光具有低的轴向发散角,估计在10mrad左右,与通常的单模光纤激光相比低一个数量级,这使得更大发射面积的激光器的发展成为可能。

Stolyarov等人的研究提供了新型的全光纤结构设计,可产生具有波长可拓展性和波前位置、方向、偏振可控的高度相干的环状光束。但表面发射光纤激光器仍有许多待改进的方向,像连续波运转、稀土掺杂介质的设计。这种新光源有很多应用,例如发光织品和发光艺术。医学成像方面,应用到层析成像上它可以有效的替代点光源。生物与化学系统方面,其可用来探测气体。安全系统方面,比如具有任意光纤外形的红外视野计,这种激光器同样具有吸引力。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/14/2015)
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