基于等离子体超光纤的全光纤调Q圆柱矢量激光器

图1(a)显示了等离子体超光纤的概念和几何形状，这是一种夹在单模光纤和双模光纤之间的金纳米孔超表面，可以将单模光纤中的LP01模式转换为双模光纤中的LP11模式。为了激发双模光纤中的固有LP11模式，超表面转换模式应表现出与LP11模式相似的模式分布。为了实现这一目标，首先对平面二氧化硅衬底上的单个金纳米孔进行了时域有限差分模拟。在模拟中，将二氧化硅衬底作为折射率为1.45的无损介质，金膜的介电常数由Drude模型控制。根据使用模拟的参数扫描结果，为了在1550 nm的波长下获得最佳效率，纳米孔的几何参数被选择为长度（L）为420 nm，宽度（W）为130 nm，深度（H）为50 nm，周期（P）为600 nm。如图1(b)所示，由于金纳米孔中的偏振相关等离子体共振，当激发光沿纳米孔长轴偏振时，透射率（TU）接近0，而当激发光的偏振垂直于纳米孔长轴时，在宽带红外区域，透射率（TV）相当高。因此，x偏振入射光束可以转换为v偏振光束，起到半波片的作用。

将单模光纤中的LP01模式转换为双模光纤中的LP11模式的超光纤的工作原理如下。LP11模在光纤中的空间场分布符合一阶贝塞尔函数和余弦函数的附加项。如图1(c)所示，由于纳米孔的偏振相关透射率响应，当激发光是x偏振的时，每个超原子位置处的透射光的电场为Ev=ExTvcosξ，其在x方向和y方向上的投影分别为E′x=ExTvcos2ξ和Ey=ExTvsinξcosξ。因此，超表面将LP01模式转换为类LP11模式的功能可以通过将每个纳米孔的方位角设置为ξ=0.5θ+π/4来实现，如图1(c)所示，其中，θ是纳米孔在极坐标中的方位角。在这种布置中，输出光在x方向和y方向上的电场分别满足E′x=ExTv/2−ExTvsinθ/2和Ey=ExTvcosθ/2，其中，Ex是x偏振LP01模式的电场。可以看出，输出光在y方向上的电场是类似LP11的模式，而在x方向上的是类似LP01模式和类似LP11模式的叠加模式。因此，在x偏振片的条件下，超表面的输出光是类似LP11的，可以连续激发双模光纤中的LP11模。由于生成的LP11模和残余LP01模的正交偏振特性，从双模光纤中的两个模中提取LP11模并不困难。为了验证性能，研究人员模拟了超光纤模型，其中使用33×33纳米孔阵列设计了超表面，该阵列在不同的空间位置具有相同的几何尺寸和不同的取向，服从ξ=0.5θ+π/4。在该模拟中，超表面的基底是一片双模光纤，平面波在单模光纤中向下入射。图1(a)中的模场分布清楚地表明，单模光纤中的LP01模转换为双模光纤中的LP11模。

超光纤模式转换器的制备分为三个步骤：利用热蒸发在双模光纤端面上沉积金膜；利用聚焦离子束光刻在具有商用陶瓷套圈的双模光纤端面上制备金纳米孔超表面；然后，利用陶瓷套管将其封装在单模光纤陶瓷套圈中。如图2(a)所示，首先制备出端面清洁平坦的双模光纤陶瓷套圈和单模光纤陶瓷套圈，并采用热蒸发法在双模光纤陶瓷套管的端面上依次沉积5 nm厚的Cr层和50 nm厚的金层。然后，利用聚焦离子束扫描电子显微镜系统在双模光纤陶瓷套圈上的金膜上刻蚀出纳米孔。经过调试和测试，聚焦离子束扫描电子显微镜系统的最终参数设置在30 kV的电压、24 pA的电流以及2分钟和40秒的工作时间周围。图2(b)显示了在双模光纤陶瓷套圈上制造的超表面的扫描电子显微镜图像。纳米孔的典型几何尺寸为435 nm（L）×135 nm（W），表明偏差为4%，这由于聚焦离子束本身的精度有限、金膜的质量以及离子束的手动聚焦造成。由于超表面的宽带响应，这种偏差几乎不会对结果产生任何影响。然后，使用陶瓷套管和紫外线固化粘合剂将具有超表面的双模光纤陶瓷套圈与单模光纤陶瓷套圈封装在一起。超光纤是一种全光纤组件，如图2(c)所示，它继承了光纤组件和超表面的优点。值得注意的是，尽管陶瓷套圈的两个端面之间存在间隙（~10 μm），但在实验中，除了界面反射引起的额外损耗外，没有观察到间隙对激光性能的明显影响，界面反射可以通过向间隙中注入折射率匹配液体来减少。在聚焦离子束工艺中，为了解决平台兼容性、机械振动和导电性等问题，设计了一种特殊的光纤夹头。如图2(c)的插图所示，这种由高导电性和高硬度硬铝制成的光纤卡盘可以确保在光纤面上进行聚焦离子束蚀刻的质量与在平面基板上进行的质量一样高。与基于裸光纤的超光纤相比，基于陶瓷套圈光纤的超光纤可以避免由于裸光纤的长宽比大而导致的制造过程中的机械振动引起的偏差。在封装过程中，当两个光纤端面碰撞时，陶瓷套圈应直接插入陶瓷套管，不得旋转和摩擦。这是一种将超表面集成到“全光纤”系统中的新策略，在新型光纤组件的商业化方面具有巨大潜力。

作为器件性能的证明，研究人员使用所制造的超光纤的全光纤激光器直接从激光腔产生圆柱矢量光束。如图4所示，激光依次穿过980/1550波分复用器、3米掺铒光纤、80:20输出耦合器、偏振相关隔离器、三端口循环器、超光纤，然后，被双模光纤布拉格光栅反射并通过碳纳米管可饱和吸收体传播。单模光纤和双模光纤的总长度分别为24.54米和0.6米。圆柱矢量光束通过连接到双模光纤布拉格光栅的准直器输出，并通过电荷耦合器件记录圆柱矢量光束的空间强度分布。从输出耦合器测量圆柱矢量光束激光器的光谱和时间特性。事实上，在超光纤之后，LP01和LP11模式共存于双模光纤中。众所周知，光纤中的LP11模由矢量本征模（包括方位偏振光束和径向偏振光束）叠加而成的标量解。为了实现激光的方位偏振光束和径向偏振光束，从LP11模式中解析和提取它们是超光纤转换后的下一步。在实验中，研究人员采用了PC2和双模光纤布拉格光栅来实现这一目标。当双模光纤被PC2挤压和旋转时，由于有效折射率、偏振和模损耗的变化，矢量本征模之间发生了复模耦合，最终可以实现双模光纤中包括方位偏振光束和径向偏振光束的圆柱形矢量光束。双模光纤布拉格光栅的反射光谱，如图5(a)所示。三个反射峰分别表示一阶到一阶模式反射、一阶到二阶模式反射和二阶到二级模式反射。因此，当激光器在峰值1振荡时，双模光纤布拉格光栅将LP01模式反射回环形腔，同时传输圆柱矢量光束。

在20 mW的泵浦功率下，获得了稳定的连续波。当泵浦功率增加到30 mW时，激光器自动从连续波状态发展到调Q状态。通过调节PC2，可以观察到方位角或径向偏振的圆柱矢量光束且仍然保持调Q状态。如图5(a)所示，调Q方位偏振光束和径向偏振光束的中心波长为1548.5 nm，位于双模光纤布拉格光栅反射光谱的中心。实验证明，大部分LP01模功率被反射回光纤环形腔，并从激光腔输出高质量的圆柱矢量光束。如图5(b)和(c)所示，典型调Q方位角偏振光束/径向偏振光束的脉冲间隔和脉冲持续时间分别为67.28/65.15 μs和4.06/3.66 μs。在整个实验过程中，光纤激光器可以稳定地发射调Q方位偏振光束或径向偏振光束，泵浦功率范围为30-120 mW，在固定的泵浦功率下，光谱和脉冲序列几乎保持不变。

在空域中，使用电荷耦合器件捕获方位偏振光束和径向偏振光束激光器的强度分布。为了进一步分析光束的偏振态，在电荷耦合器件的前面放置了一个线性偏振器。如图6(a)和(b)所示，在没有偏振器的情况下，输出强度呈现出中心有黑点的环形强度分布。当在透射轴的四个不同方向穿过偏振器时，强度分布，如图6(a1–a4)和(b1–b4)所示。通过的光的强度分布方向随着偏振器的透射轴旋转，如图6中的白色箭头所示且暗带始终平行/垂直于偏振器透射轴，表明输出激光束是方位偏振束/径向偏振束。通过调节PC2，可以容易地切换这种调Q方位角偏振光束和径向偏振光束状态。

当泵浦功率在30-120 mW之间变化时，激光器保持稳定的调Q运转。图7(a)给出了作为泵浦功率函数的脉冲持续时间和重复率演变。可以看到，调Q方位角偏振光束/径向偏振光束的脉冲持续时间随着泵浦功率的增加而减小，而重复频率增加，这是调Q激光器的典型特征。记录输出耦合器和准直器的调Q方位角偏振光束/径向偏振光束的输出功率进行比较，如图7(b)所示。调Q圆柱矢量光束激光器的阈值效率和斜率效率分别为30 mW和1.4%。考虑到输出耦合器的输出比为20%，通过圆柱矢量光束的输出功率与腔内总功率的比值计算，从LP01模式到方位角偏振光束/径向偏振光束的模式转换的最高效率为9.37%/9.55%。需要注意的是，用未图案化的双模光纤陶瓷套圈代替超光纤后，当激光器仍在峰值1振荡时，激光器只能从两个端口输出LP01模式，这表明超光纤在激光器中起着明确的模式转换作用。基于光纤中基模和二阶模之间的弯曲损耗差，采用紧弯曲法测量了调Q方位偏振光束和径向偏振光束激光器的模纯度。当激光器在径向偏振光束模式下工作时，在没有弯曲的情况下，输出功率测量为721 μW，当光纤在相同的泵浦功率下弯曲成铅笔时，输出功率为67 μW。因此，径向偏振光束的模式纯度估计为90.7%。类似地，方位偏振光束的模式纯度为86.5%。需要指出的是，尽管超光纤的模式转换效率低于21%，但双模光纤布拉格光栅对基本模式的高反射率（～98.6%）可以保证输出端口一阶模式的高纯度。图6中不完美的空间强度分布主要归因于电荷耦合器件的缺陷。

研究人员提出了一种用于将光纤中的LP01模式转换为LP11模式的等离子体超光纤，并实现了使用该超光纤的全光纤Q开关圆柱矢量束激光器。基于等离子体共振诱导金膜中纳米孔的偏振相关传输，利用聚焦离子束光刻技术，在金膜覆盖的双模光纤陶瓷套圈端面上设计并制备了具有空间取向纳米孔的与偏振无关的模式转换超表面。然后，通过使用陶瓷套管与单模光纤陶瓷套圈封装，将超光纤制备为全光纤部件且在1529-1560nm的测量波长下，超光纤的模式转换效率高达21%。为了减少插入损耗，从而提高效率，采用互补结构，即纳米跳闸，是第一条途径。其他潜在的解决方案是在封装过程中添加折射率匹配液体，以减少界面反射损耗；采用电子束蒸发或磁控溅射的方法来提高金膜的质量；扩大金超表面的尺寸；用保偏光纤代替单模光纤作为输入。为了大大降低损耗和提高效率，全介质超表面是最好的途径。然而，目前在光纤端面上直接制备全介质超表面仍然具有挑战性。

与平面衬底上的超表面相比，超光纤显示出与光纤系统的良好界面兼容性，从而提供了将超表面引入全光纤激光器以调制空间模式的可行性。作为应用的证明，将超光纤拼接到全光纤激光腔中，最终轻松实现了调Q圆柱矢量光束，包括方位偏振光束和径向偏振光束。方位偏振光束和径向偏振光束的模式纯度分别为86.5%和90.7%。注意，在实验中还没有观察到锁模状态。这可归因于超光纤引起的大腔损耗和双模光纤布拉格光栅的窄反射带宽。与光纤模式转换器相比，所提出的元光纤具有宽带、偏振无关、高效率、高光学损伤和使用纳米制造技术的高精度可控性等优点，在新型全光纤组件的商业化方面显示出巨大潜力。此外，这项研究提供了一种将超表面集成到“全光纤”系统中的新策略，并提供了一个可靠的方法来调制全光纤激光器中的空间模式。虽然在双模光纤中进行了验证，但该方法和策略可以扩展到支持其他高阶模式的少模光纤系统。可以相信，在未来，超光纤家族将在空域、时域和时空域的光场中发挥其优势，为全光纤激光器注入新的生命和能力。