中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗室研究團隊研究了光纖扭轉對環(huán)形光纖激光器的影響，并對兩種莫比烏斯環(huán)光纖激光器的偏振和縱模特性進(jìn)行了詳細研究，相關(guān)研究成果以“Polarization and longitudinal modes of Mobius fiber ring lasers”為題發(fā)表于Optica，并被選為封面。
莫比烏斯環(huán)，因其獨特的拓撲特性，在光學(xué)研究中受到廣泛關(guān)注。將莫比烏斯環(huán)結構引入光學(xué)腔，會(huì )觀(guān)察到有別于尋常光學(xué)腔的相位和偏振特性。文獻中有莫比烏斯環(huán)光學(xué)微腔的報道，但微腔結構制備需要高精度的工藝，而利用光纖搭建莫比烏斯環(huán)形腔甚至激光器十分便捷。將保偏光纖兩端偏振軸扭轉后熔接在一起，就可以形成莫比烏斯環(huán)環(huán)形腔。其中，180°和90°扭轉即為兩種類(lèi)莫比烏斯環(huán)的情況。在實(shí)際光纖熔接時(shí)，很難區分0°和180°熔接，因此180°扭轉的情況可能在無(wú)意中形成，因而0°和180°扭轉下的輸出研究人員建立了基于瓊斯矩陣的理論模型，求解了任意扭轉角度的保偏光纖環(huán)形腔的本征偏振態(tài)和縱模。
理論分析表明光纖軸的扭轉會(huì )導致本征偏振態(tài)雜化，同時(shí)帶來(lái)幾何相關(guān)的相移，并進(jìn)一步引起縱模的頻移。對兩種莫比烏斯環(huán)（180°和90°扭轉）的情況進(jìn)行了詳細分析，其中光纖偏振軸的90°扭轉會(huì )帶來(lái)獨特的偏振和縱模特性。實(shí)驗上搭建了90°扭轉的莫比烏斯環(huán)光纖激光器，對激光輸出進(jìn)行了偏振與縱模拍頻譜測量，驗證了理論預測。
該項工作首次開(kāi)展了莫比烏斯環(huán)光纖激光器研究，為莫比烏斯環(huán)結構的激光器研究提供了便捷的平臺，也為光纖激光器及其應用開(kāi)拓了新的方向。同時(shí)也是首次將幾何相位與拓撲等概念引入光纖激光器研究。
圖1（a）扭轉保偏光纖環(huán)形腔的原理圖。（b）莫比烏斯環(huán)光纖激光器實(shí)驗裝置圖。
圖2 莫比烏斯環(huán)光纖激光器的偏振特性。（a）不同泵浦功率下的偏振度。（b）單偏振狀態(tài)下，龐加萊球描繪的典型偏振態(tài)。
圖3 不同泵浦功率下（a）直接輸出，經(jīng)過(guò)偏振分束器的（b）快軸和（c）慢軸測得的縱模拍頻譜。
該項研究獲得了國家自然科學(xué)基金的支持。
