線偏振激光

光纖激光器具有結構緊湊、 效率高、 光束質量好、 穩定性好等優點。雙包層大模場面積(LMA)光纖的出現， 使高功率光纖激光器迅猛發展， 目前已經實現了 1~2 kW 的近單模輸出。但已有文獻報道的大都是隨機偏振輸出。然而在某些場合， 如二次諧波產生(SHG)、 光學參量振盪(OPO)等， 對激光的偏振態有較高的要求。迄今為止， 有關高功率線偏輸出的文獻較少 ^[1]  。

目前， 產生線偏振激光的光纖激光振盪器大致可以分為兩類。一類是空間結構的線偏振光纖激光振盪器， 另一類是全光纖結構的線偏振光纖激光振盪器。空間結構的線偏振激光振盪器存在結構複雜、穩定性差、 易產生端面損傷等不足， 全光纖結構的線偏振激光器有效克服了這些缺點。全光纖結構的線偏振激光振盪器目前有兩種實現方式。一種是使兩個保偏光柵正交熔接， 使其中一對快慢軸的反射峯重疊， 另一對快慢軸的反射峯錯位， 保證僅有一個偏振模振盪。研究人員相繼實現了百毫瓦量級到百瓦量級的輸出， 但這種方法要求光柵的參數匹配並且需要嚴格控制温度對光柵特性的影響。另一種方式是通過彎曲增益光纖抑制高階模和其中一個偏振模， 使激光振盪器實現線偏振單模輸出。2014 年， 德國的 Steffen Belke等利用纖芯直徑為 20 mm 的大模場保偏摻鐿光纖實現了 1 kW 的單模線偏振激光輸出 ^[1]  。

搭建了一台基於彎曲損耗抑制高階模和快軸偏振模的全光纖結構的高消光比線偏振激光振盪器。在最高抽運功率為 182.1 W 時， 輸出激光功率為 92.3 W， 半峯全寬約為 1.2 nm， 消光比優於 15 dB。目前功率提升主要受到抽運功率的限制。這種激光振盪器為獲得線偏振激光提供了一種簡單、 穩定的實現方案 ^[1]  。

基於彎曲損耗的線偏振激光振盪器採用全光纖保偏結構， 由兩個波長為 976 nm 的帶尾纖半導體激光二極管(LD)抽運。高反光柵(HR FBG)的反射中心波長為 1080.08 nm， 反射率為 99.7%， 3 dB 帶寬為 3.2 nm。輸出耦合光柵(OC FBG)的反射中心波長為 1080.04 nm， 反射率為 9.4%，3 dB 帶寬為 1.3 nm。熔接時採取平行熔接方式， 慢軸對慢軸， 快軸對快軸。增益光纖採用內包層直徑為15 mm， 外包層直徑為 130 mm 的摻鐿熊貓型保偏光纖， 長度為 6 m。高反光柵、 輸出耦合光柵和增益光纖一起構成該振盪器的諧振腔。輸出耦合光柵後熔接了 1 m 長的傳能光纖， 並在熔接處做了包層光濾除處理， 用於濾除沒有吸收完全的抽運光和包層信號光。合束器的信號臂與振盪器輸出端切成 8°斜角， 以避免反射回光進入振盪器。合束器、 高反光柵、 輸出耦合光柵以及傳能光纖都採用熊貓型保偏光纖， 且內外包層直徑均與增益光纖匹配 ^[1]  。

在增益光纖中， 快軸方向上偏振模的有效折射率比慢軸方向上偏振模的有效折射率低， 所以快軸方向的偏振模對彎曲更加敏感在彎曲半徑相同的情況下， 快軸方向的偏振模比慢軸方向的偏振模具有更高的彎曲損耗。此外， 高階模的損耗比低階模的彎曲損耗大。實驗所用光纖的參數為 NA=0.08，ΔB =2×10-4。計算得到的實驗所用光纖中 LP01模和 LP11模的彎曲損耗曲線可以看出， 通過纏繞增益光纖可以抑制或者減小高階模和 LP01模快軸方向的偏振模， 而保持 LP01模慢軸方向的偏振模的強度優勢， 使振盪器輸出高消光比的單模線偏光 ^[1]  。

反射型偏振片：光波在二介質的分界面上反射和折射時 , 不僅其能量要進行再分配 , 其偏振度也會產生相應的變化 。且在布儒斯特角入射時 ,反射光為完全偏振光 ,折射光也有最大的偏振度 ^[2]  。

在玻璃面上的單次反射 ,反射光有最高的偏振度 ,但光強僅為入射光強的 7. 5%, 光能利用率太低 ; 折射光光強雖很大 ,但偏振度又太低 , 無實用價值 。為了克服這一矛盾 , 人們將一組平行玻璃片疊在一起 ,形成 “片堆 ”, 最後使通過片堆的折射光接近一個平行於入射面的線偏振光 。在諧振腔內插入偏振片 ,雖然激光脈衝一次通過偏振片時 ,折射光的偏振度不高 。但從建立脈衝到打開 Q 開關 , 閃光燈泵浦的諧振腔 , 激光脈衝有好幾十個來回。這樣 , 折射光的偏振度有很大提高 ^[2]  。

目標探測與識別是現代戰爭中進行有效打擊的前提 。基於偏振激光主動成像的目標探測與識別 ,是用偏振激光照射目標 , 然後根據不同材料目標反射光的偏振度差異和偏振圖像來進行探測與識別一種新技術 。 20世紀 90年代初 , 美國 CREOL學院研製的偏振激光主動成像儀能夠成功地將金屬目標從非金屬中探測與識別出來 ; 美國麻省理工學院(M IT)林肯實驗室研製的小型主動式超光譜成像系統中 , 也使用偏振信息來進行地形和植被特徵的描述 ^[3]  。

偏振光的 S tokes參量法描述
　　偏振光的數學描述通常有兩種方法 : 一種是Jones矢量法 , 一種是斯托克斯 (S tokes- M uller)參量法 , 在目標識別過程中一般使用 Stokes- M uller體系解釋光在光路中傳播以及在目標表面反射時發生的偏振態的變化 。Stokes參量法使用四個相互獨立的參量 I, Q ,U , V來完全描述一束光線的偏振狀態 ,各參量定義如下

:I =〈EXEX * + EYE> (1)

Q =〈EXEX * -EYE* Y 〉 (2)
　　U =〈EXEY * + EYE* X 〉 (3)
　　V =j〈EXEY * -EY EY * 〉 (4)
　　式中, EX 和 EY 分別表示電場在 X 軸方向或 Y 軸方向的分量,光波是沿着 Z 軸方向傳播。其中 I表示光波的總強度, 因而總是正的 ^[3]  。 Q 表示 X 方向與 Y方向上的線偏振光的強度差, 根據 X 方向佔優勢、Y方向佔優勢或是一樣, Q 取值正、負或零。 U 表示+45° 方向與 - 45° 方向上的線偏振光的強度差 ,根據 +45° 方向佔優勢 、 - 45° 方向佔優勢或是一樣, U取值正 、負或零 。 V表示右旋還是左旋圓偏振分量佔優勢 ,根據右旋方向佔優勢、左旋方向佔優勢或是一樣, V取值正、負或零。由於圓偏振分量很小, 相對於儀器的誤差可以忽略 ,故通常取為零 。
　　因此 ,要完全確定一束光的偏振態 ,需要三個獨立數據來建立方程組求解 I、Q、U。由 I的表達式易知,在與 X 軸的夾角為 α的方向上 ,觀測到的光強為:I(α ) =12 (I + Q cos2α+ U sin2α ) (5)
　　只要測出三個不同角度處的線偏振分量光強 ,即可解得參量 I、Q、U ^[3]  。當 α分別為 0° 、60° 、120° 三個不同角度時,以下關係成立:

I =2/3 [ I(0° ) +I(60° )+I(120° )]
　　Q =4/3 [ I(0° ) - 1 2 I(60° ) - 1 2 I(120° )]
　　U =2/3[ I(60° ) - I(120° )]
　　如果參量 I、Q、U 確定了 ,那麼整束光的偏振狀態就完全確定了 。因此 , 若測出光線在三個不同角度的線偏振分量的光強 , 就可以定量確定整束光的偏振狀態 ^[3]  。
　　另一個描述偏振狀態的參量是偏振度 P ^[3]  ,可以用下式定義 :
　　P = Q2 + U 2 /I (7)
　　若探測器的光強增加到 k 倍, 由式 (7)可知 I、Q、U也增加到 k倍 , 此時偏振度 P′= P, 仍保持不變 。由此可知,當外界光強變化時,偏振圖像的偏振度保持不變 ,而強度圖像的清晰度和對比度則會發生變化 ,因此 ,偏振圖像與偏振度便成為目標探測與識別的重要信息 ^[3]  。