柱矢量光束(cylindrical vector beams，CVB)因其独特的环形强度空间分布及其对称的偏振分布^[1]，已经在激光材料加工、表面喇曼光谱增强及受激发射损耗荧光显微、光纤通信、粒子操控等领域呈现了巨大的实际应用价值^[2-7]。为了在光纤激光器中获得这种柱矢量光，研究人员陆续提出了多种产生方法。早期通过错位拼接技术激发LP₁₁模式并利用少模光纤光栅选择横模^[8]，但该方法拼接损耗大、耦合效率较低；随后研究人员利用少模光纤光栅对^[9-10]、模式选择耦合器^[11]、长周期光纤光栅^[12]、金属横模过滤器^[13]等模式选择器或模式转化器件获得了柱矢量光输出。相比较连续工作的柱矢量光，脉冲CVB具有高能量、高峰值功率，在金属材料精细加工^[14]、电子加速^[15-16]等领域有着潜在的应用价值。将柱矢量产生方法与锁模技术相结合是一种有效的实现方案。2016年，ZHOU等人基于碳纳米管获得自启动锁模脉冲工作，结合错位拼接技术和具有模式选择功能的少模布喇格光纤光栅，实现了1547.5 nm脉冲柱矢量光输出^[17]。2017年，WAN等人结合非线性放大环形镜和模式选择耦合器实现了1556.3 nm柱矢量锁模^[18]。2020年，TAO等人利用长周期光纤光栅和非线性偏振旋转技术实现了中心波长1030 nm的高纯度柱矢量锁模脉冲输出^[19]。这些柱矢量锁模光纤激光器工作在固定的波长，缺少波长调谐的灵活性，限制了脉冲柱矢量在传感、激光微加工、波分复用等领域的应用^[20-23]，然而，具有波长灵活可调谐的锁模柱矢量光纤激光器却很少报道。

本文中搭建了波长可调谐脉冲柱矢量直腔光纤激光器，采用啁啾光纤光栅及半导体可饱和吸收镜充当反射镜和锁模元件，腔内插入的长周期光纤光栅实现基模到高阶模的转化，激光器的锁模阈值为53.5 mW，输出斜率效率为8.6%。通过调节腔内的偏振控制器来改变腔内波长的损耗，柱矢量脉冲激光器的谐振波长能灵活地调谐在1060.72 nm~1066.04 nm范围内。通过消除LP₁₁模式的简并，获得了模式纯度为97.4%的TM₀₁模式和97.6%的TE₀₁模式。

波长可调谐的柱矢量锁模光纤激光器的结构如图 1所示。激光腔是由两种光纤部分组成的混合腔，左边黄褐色线条为普通单模光纤(HI1060)，右边青蓝色线条代表少模光纤(single mode fiber，SMF)(SMF-28E，在1064 nm波长处仅支持LP₀₁模式和LP₁₁模式传输)。抽运源是一个中心波长为976 nm激光二极管(laser diode, LD)，抽运光经过波分复用器(wavelength division multiplexer, WDM)耦合进长度为45 cm的掺镱光纤(Liekki Yb1200，纤芯在976 nm处的吸收系数1200 dB/m)中。该激光器采用直腔结构，一个商用的半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)(BATOP, SAM-1064-28-15ps-1.3b-0)作为一个反射镜并起到可饱和吸收体的功能，具有18%的调制深度、30 μJ/cm²的饱和通量、10%的非饱和损耗以及1.5 mJ/cm²的损伤阈值，能够实现稳定的锁模脉冲工作。啁啾光纤布喇格光栅(chirp fiber Bragg grating，CFBG)作为激光器的另一个腔镜，其反射光谱如图 2所示，它由啁啾相位掩模版刻写，啁啾率为2 nm/cm，具有分布式反射的特性。其中心波长为1064 nm，3 dB带宽为7.4 nm，反射率高于99%，色散为33 ps/nm，使激光器工作在反常色散区域。为了获得高阶模输出，腔内引入了长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPFG)作为模式转化器件，它是由CO₂激光器在SMF-28E光纤上刻写的, 在940 nm~1065 nm波长范围内模式转化效率超过了93.7%^[19]。引入的长周期光纤光栅可以将左侧单模光纤入射的基模高效率地转化为LP₁₁模式，并通过一个70 ∶30的少模光纤耦合器(optical coupler, OC)提取腔内30%的能量作为激光器的输出，剩余的70%的高阶模能量到达SESAM，其LP₁₁模式经SESAM反射回腔内，通过长周期光纤光栅转为LP₀₁模式，经左侧单模增益光纤放大后，被啁啾光纤光栅再次反射回腔内，如此循环，LP₀₁模式谐振在左侧单模光纤，LP₁₁模式谐振在右侧两模光纤。SESAM和输出耦合器之间放置一偏振控制器(polarization controller, PC)来协助锁模以及调节腔内各模式的损耗。通过调节PC，使得各个波长的腔损不同以实现波长调谐的功能。整个激光器采用全光纤结构，总腔长为5.5 m。在实验中，使用光谱仪(Yokogawa AQ6373B)、配有带宽4 GHz的光电探测器的示波器(LeCroy Wave Runner 640Zi, 4 GHz)、射频谱分析仪(AV4021)、自相关仪(APE PulseCheck)、功率计(Thorlabs PM100D)以及近红外CCD相机测量激光器输出特性。

图  1  激光器实验装置图

Figure 1.  The experimental setup of laser

图  2  测量的啁啾光纤光栅的反射光谱

Figure 2.  The measured reflection spectrum of CFBG

当抽运功率设定在0 mW~53 mW范围时，激光器在窄线宽连续光下运转；将抽运功率调至78 mW(激光锁模阈值为53.5 mW)，同时旋转或挤压腔内的PC，可以获得稳定的锁模脉冲运作，测得输出功率为4.1 mW。图 3是该抽运条件下脉冲激光器的输出特征。激光器谐振在1060.72 nm，光谱带宽为0.22 nm，如图 3a中蓝色实线所示。输出光谱右侧具有明显的凯利边带，证明激光器工作在反常色散区内的典型传统孤子。这种不对称的凯利边带主要归因于啁啾光纤光栅左侧强的滤波效应^[24-25]。图 3b是示波器轨迹图，相邻脉冲序列间隔为53.59 ns，对应的重频为18.66 MHz。实验中激光器谐振腔分为两部分，腔长为5.5 m，左侧单模光纤约1.5 m为LP₀₁模式谐振，右侧约4 m长的两模光纤为LP₁₁模式谐振。故锁模激光器的基重频f与腔长的关系可以表达为：

图  3  a—光谱图  b—示波器轨迹图  c—自相关轨迹图  d—射频频谱图

Figure 3.  a—optical spectrum  b—pulse trace  c—autocorrelation trace  d—radio frequency spectrum

式中，c为光速，n_LP01为单模光纤LP₀₁模式的有效折射率；n_LP11为两模光纤中LP₁₁模式的有效折射率；L_LP01为LP₀₁模式在腔内传输的长度，约为1.5 m；L_LP11为LP₁₁模式在腔内传输的长度，约为4 m；通过计算得到基重频f≈18.66 MHz，这与5.5 m腔长相匹配。输出脉冲的强度自相关轨迹如图 3c所示，自相关仪的扫描范围设定为150 ps，测得其半峰全宽为10.9 ps。采用射频谱分析仪在4 MHz范围内进行扫描，得到的射频图如图 3d所示，射频光谱位于18.66 MHz，说明激光器此时工作在基频锁模，其信噪比高达65 dB。此外，频谱仪扫描范围设定为500 MHz时，也没有观察到明显的强度调制。以上实验结果表明，该锁模激光器具有很好的工作稳定性。

图 4为锁模脉冲激光器输出功率与抽运功率的对应关系。基于线性拟合计算出激光器的效率为8.6%。当抽运功率调至140 mW时, 9.5 mW的输出功率被获得。值得一提的是，保持腔内偏振控制器状态不变，设定抽运功率高于53.5 mW时, 激光器能实现稳定的自启动。

图  4  输出功率随抽运功率变化图

Figure 4.  Output power at different pump powers

为了观察激光器输出的光场特性，本文作者利用一个近红外CCD相机监测锁模激光器输出端光斑的强度分布。在输出端加一个偏振控制器去消除LP₁₁模式的简并度，通过仔细地调节输出端的偏振控制器，径向偏振光束(TM₀₁)和角向偏振光束(TE₀₁)输出能被实现。环形中空状的强度分布被清楚地观察到，如图 5a和图 5f所示。本文作者在输出端与CCD之间放置一个起偏器作为检偏器，通过旋转起偏器的方向，输出模式的偏振特性被表征，环形强度分布的输出光斑通过检偏器后变为两瓣分布，两瓣的旋转方向和起偏器的旋转方向一致，若两瓣分布方向与检偏器轴的方向平行，则为径向偏振光，如图 5b~图 5e所示；若两瓣分布方向与检偏器轴的方向垂直，则为角向偏振光，如图 5g~图 5j所示。为了获得这两个输出模式的纯度，基于光纤弯曲法^[26]进行纯度测量，经计算，径向偏振光的模式纯度为97.4%，角向偏振光的纯度为97.6%。

图  5  a~e—径向偏振光及其通过起偏器后的图案  f~j—角向偏振光及其通过起偏器后的图案

Figure 5.  a~e—the pattern of radially polarized beam and its pattern after passing througha linear polarizer  f~j—the pattern of azimuthally polarized beam and its pattern after passing througha linear polarizer

当保持78 mW的抽运功率不变，仅仅通过调节腔内的偏振控制器，腔内各个模式的损耗发生改变，在啁啾光纤光栅的共同作用下，可使得脉冲柱矢量激光器谐振在其它波长。如图 6a所示, 激光器的谐振波长能够从原先的1060.72 nm灵活地调谐到1061.17 nm、1061.96 nm、1062.80 nm、1064.13 nm、1065.30 nm、1066.04 nm，其波长调谐范围为5.32 nm，它被CFBG的反射带宽限制，可以使用更大带宽的CFBG提高波长调谐的范围。图 6b所示是锁模脉冲的重复频率与中心波长的关系。随着中心波长向长波方向移动，激光脉冲的重复频率从18.66 MHz减小到18.60 MHz，这种现象是由色散引起的，不同波长在腔内的群速度是不同的，在这个反常色散腔内，长波在腔内往返一次时间更长，即长波对应的重复频率更小。

图  6  a—波长可调谐的锁模光谱图  b—重复频率和锁模中心波长的关系

Figure 6.  a—the spectrum of wavelength-tunable mode-locked laser  b—relationship between frequency rate and center wavelength of mode-locked laser

基于SESAM和啁啾光纤光栅搭建了波长可调谐锁模柱矢量光纤激光器，获得了稳定的柱矢量锁模皮秒量级脉冲，其输出模式纯度高达97%。通过调节腔内的偏振控制器，获得了输出中心波长连续可调谐，锁模柱矢量脉冲信噪比高达65 dB。这种锁模光纤激光器结构简单、波长灵活可调、可输出环形强度分布的柱矢量光，在激光加工、粒子操控及光纤通信等领域有潜在的应用价值。