圆柱矢量光束（cylindrical vector beam，CVB）具有径向偏振（TM01）或角向偏振（TE01）的横向偏振梯度分布。其稳定的环形光强分布和均匀偏振特性，使其在激光加工、光学捕获^[1-3]、光学通信及超分辨成像^[4-6]等领域展现出独特优势。而径向偏振光束和角向偏振光束这两种典型的CVB受到了广泛的关注。其中径向偏振光束可用于产生更聚焦的光斑^[7-8]，因为在聚焦区域存在比较强的局部化纵向场分量，这为高分辨率成像、等离子体聚焦和纳米颗粒变换提供了有利的应用场景^[9]。而角向偏振光束的分布具有对称性，即使在非常高的数值孔径下，它也能保持纯横向焦场，因此可应用于材料加工过程和共焦显微镜中 ^[10-11]。

目前已有多种生成CVB的方法被提出。其中一种是使用光学系统装置将激光中的高斯光束转换成圆柱矢量光束，常见的设备有空间光调制器^[12]、亚波长光栅^[13]、螺旋相位板^[14]等。为了生成更紧凑的CVB光源，近年来研究者开始关注在激光器腔内直接产生CVB的方案。其核心思路是迫使激光器以高阶光束模式（而非基模）振荡，并通过模式转换器或模式选择耦合器（mode selective coupler，MSC）直接输出^[15]。然而，该方法是通过光纤偏移技术来激发CVB模式，或利用少模布拉格光栅作为MSC来实现CVB的全光纤输出^[16]。而多模光纤在该方法中会造成光纤中模式转换的损耗，且随着泵浦功率的增加，光束模式的分布会趋于高阶多模，其控制难度也会增加。因此，近年来单模光纤结合自由空间光学元件的方案在锁模光纤激光器中生成CVB的研究受到广泛关注。

许多无需多模光纤结构的锁模掺镱/掺铒光纤激光器成功实现了CVB输出，其锁模脉冲稳定且光谱覆盖范围宽。2018年，Huang等^[17]报道了一种新型锁模光纤激光器，可在庞加莱球（Poincaré sphere）高阶模式的任意位置直接产生超快矢量涡旋光束，其重复频率为28.4 MHz，光谱带宽为11 nm。2019年，Zhao等^[18]报道的非线性环形镜全保偏锁模光纤激光器，通过腔内调控实现了任意一阶CVB（涡旋光束）的快速切换，其重复频率在同类技术中达到当时最高的74.9 MHz。2022年，Dai等^[19]通过全保偏结构光纤激光器成功产生CVB，其重复频率达到了40.83 MHz，光谱带宽为0.069 nm。高重复频率脉冲激光意味着每秒发射的脉冲数更多，具有更高的加工效率以及更高的能量密度。同时，高重复频率脉冲激光能以较高的频率产生脉冲，且拥有较短的脉冲宽度，从而可实现快速获取高分辨率图像的能力。超短脉冲激光系统在等离子体光丝非线性传输，以及激光放电领域也有着广泛的应用^[20-21]。由于CVB具有稳定且均匀的光场特性，及无偏振畸变的特点，结合高重复频率脉冲激光的时序优势，可同步实现高效率与高质量的激光加工。此外，基于像素级光感控一体化技术，该系统还能快速实现亚微米级高分辨率光学成像^[10]。虽然锁模光纤激光器生成CVB的技术已获得多种方案的验证，但传统方法因依赖长光纤而难以实现谐振腔的小型化。

本文提出了一种掺镱非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotating，NPR）锁模光纤激光器，基于自制的全增益波分复用准直器，可进一步缩短掺镱光纤激光器的腔长，获得高重复频率。该激光器可生成稳定的锁模脉冲序列，其重复频率为370.06 MHz，半高宽为14 nm。通过在谐振腔内放置涡旋波片（vortex wave plate，VWP），并控制激光器腔内的几何相位，可以获得具有不同偏振态的一阶CVB。该掺镱光纤NPR锁模激光器首次实现了370.06 MHz重复频率的宽光谱CVB输出。通过实时调控腔内偏振态，可在稳定锁模状态下动态切换CVB的径向与角向偏振模式。

本文提出的NPR高重复频率锁模涡旋激光器的腔体结构如图1所示，激光器谐振腔由增益部分和自由空间部分组成。自由空间部分是由“U”型环形腔NPR结构以及一路反射臂共同构成。增益模块采用12.5 cm的掺镱光纤作为增益光纤，通过熔接工艺与2个全光纤波分复用器集成，构成1个双头全增益波分复用器。使用2个中心波长为976 nm，输出功率为900 mW的半导体二极管作为泵浦源，采用双向泵浦的方式来提高泵浦功率和效率。经过泵浦保护器后，泵浦源能实现最大1.8 W的输出。采用线数为1 250 line/mm的透射式光栅对作为色散补偿元件来降低正色散的累积，以获得稳定的色散管理孤子，从而更有利于谐振腔的锁模。输出耦合部分主要由2个部分组成，如图1所示。第一部分由2个偏振分束器（polarizing beam splitter，PBS）和1个法拉第旋转器（Faraday rotator，FR）组合而成。用它们替代隔离器可缩短谐振腔的长度，该“U”型环形腔的长度为52.5 cm，可实现腔内脉冲的单向传输。第二部分由1个反射率为98%的反射镜M和1个1/4波片QWP3（快慢轴夹角为0°，反射臂长度为13.5 cm）组成，起到一个1/2波片（half-wave plate，HWP）的作用，以保证光经过涡旋波片VWP前为线偏振光。通过PBS2和M反射后的水平偏振光变成垂直偏振光，再次通过PBS2反射。经过QWP2调制后的椭圆偏振光通过波分复用准直器WDM2耦合，进入增益光纤继续放大，并经PBS1以及M实现激光器的双路水平偏振光输出。通过旋转两对QWP和HWP组成的偏振筛，实现激光器的锁模。增益光纤辐射出波长为1 030 nm且满足起振条件的连续椭圆偏振光，经过QWP1调制为线偏振，再经过QWP2转变为椭圆偏振，实现偏振环形回路。HWP1和HWP2用来调制线偏振的偏振方向，实现偏振相关损耗。经过波片的多次循环调制，在尽可能短空间内实现类饱和吸收体，使激光器实现锁模脉冲输出。

图 1

Figure 1

图 1 实验装置 Figure 1 Experimental setup

CVB管理部分由一阶涡旋半波片（VWP，LBTEK VR1-1030）和HWP3组成。一阶CVB可以在反射镜后的输出端直接测出。为了产生各种偏振状态的CVB，需在光路中合理设置VWP和HWP。因为，VWP上的每个点都可以作为半波缓速器，线偏振高斯光束在经过VWP后将转变为具有甜甜圈强度光束剖面的CVB。由于VWP可改变光的偏振态，因此通过调节其前的HWP3的旋转角，可对入射线偏振光的偏振方向进行调控，从而实现径向偏正和角向偏振两种CVB的切换。利用琼斯矩阵推导传输过程可知：高斯光束通过VWP往返传播可实现完美的空间模式递归；由于偏振态在往返后能完全恢复，因此HWP3的旋转调控不会影响被动锁模操作。HWP3和VWP的组合确保了激光腔内偏振态的可逆循环。所以，该实验装置在保持锁模稳定的同时，能灵活切换不同模式的CVB。此外，所设计的“U”型腔体不仅能产生一阶CVB，通过将一阶VWP替换为一阶和二阶VWP的组合，还可生成高阶CVB^[18]。

为了实现NPR锁模，需要旋转HWP和QWP使光轴与脉冲之间产生适当的损耗，形成一种中间通过、两侧滤掉的类可饱和吸收体。由于该高重复频率光纤激光器是通过调控两对QWP和HWP来实现锁模，因此只有少数的偏振组合能够获得稳定锁模。如图2所示，当泵浦功率增至1.446 W时，脉冲受NPR锁模的类可饱和吸收机制的影响，其两翼被吸收，光纤激光器输出功率出现跳变。输出1的功率从290 mW跳变至245.9 mW，激光器实现锁模。此时，输出2的功率达到1.6 mW。图3（a）为高速示波器采集到的锁模脉冲序列，其脉冲间隔为2.7 ns，当泵浦功率增至1.7 W时，在不超过全增益波分复用准直器的损伤阈值，且不损坏光学元件的情况下，激光器输出功率达到最大。此时输出1 的平均功率为315 mW，输出2的平均功率为2.2 mW。图3（b）所示为利用高分辨率频谱仪（N9000 AD）对光电二极管采集到的信号进行监测，所测得的CVB频谱图，其基频谱线为370.06 MHz。基频谱线前后没有其他频率产生，表明激光器具有稳定的锁模状态。表1所示为CVB各输出指标。通过对比可知，上述激光器在已经报道的腔内产生CVB的光纤激光器中具有较高的重复频率。腔内激光脉冲在传输过程中受光纤自相位调制，发生频谱展宽。在最大输出功率下，用海洋光谱分析仪（Ocean optics HR4000）测量激光器锁模后的高斯和CVB的输出光谱，结果如图4所示。从输出2输出的CVB模式的脉冲与输出1输出的高斯光束的脉冲光谱略有不同，这是因为谐振腔中反射臂造成的非对称性。反射镜回返造成双向传输能量不同的2束光在增益介质中积累的非线性相移不同。输出2产生的CVB中心波长为1 024 nm，光谱半高宽为14 nm。

图 2

Figure 2

图 2 光纤激光器输出功率与泵浦功率关系 Figure 2 Fiber laser output power versus pump power

图 3

Figure 3

图 3 输出2的锁模脉冲序列与重复频率指标 Figure 3 Mode-locked impulse train with repetition rate indicator for output 2

表 1 (Table 1)

表 1 CVB光束各输出指标 Table 1 Individual output indicators for CVB 来源 重复频率/MHz 光谱半高宽/nm 平均功率/mW 文献[17] 28.4 11 文献[18] 74.9 32 1.42 文献[19] 40.83 0.069 本文 370.06 14 2.2

表 1 CVB光束各输出指标 Table 1 Individual output indicators for CVB

图 4

Figure 4

图 4 370.06 MHz光纤激光器的各输出指标 Figure 4 370.06 MHz fiber laser with output index

可以通过设置VWP和HWP3的快慢轴角度来激发各种CVB模式。保持一阶VWP角度不变，只改变HWP3的快慢轴角度时，可以产生具有任意偏振态的CVB。产生的CVB光束由CCD相机捕获。图5所示为将线偏振片旋转至0°、45°、90°和135°时，测得的2种典型的CVB模式下的偏振光强分布图。结果进一步验证了偏振分布，且在输出偏振态的演化过程中，激光器保持了锁模状态。当HWP3快慢轴夹角α为0°时，径向矢量光束的光强分布以及各个偏振态见图5（a），检测出的2块光瓣和线偏振片的角度平行，表明所产生的径向偏振光束具有高偏振纯度。当HWP3旋转至α = 45°时，会产生角向矢量光束，其光强分布以及各个偏振态如图5（b）所示，检测出的2块光瓣和线偏振片的角度垂直。由此证明，通过设置HWP3的角度，可以在两种典型的CVB模式之间切换，并且可以通过更换高阶VWP按需产生高阶CVBs。根据纯度系数公式对产生的CVB纯度进行评估，结果显示其纯度为94.3%。

图 5

Figure 5

图 5 两种典型 CV 光束的光强分布 Figure 5 Doughnut-shaped intensity profiles for two typical CV beams

本文展示了一种使用非线性偏振旋转的掺镱锁模光纤激光器，在两个输出端分别输出高斯光束和CVB光束，与在腔外产生涡旋光相比，由于腔内被动模式的滤波，腔内的模式选择产生了更纯净的CVB。VWP和HWP的组合用于控制腔内的偏振态，产生2种经典的CVB模式，提供具有连续切换能力以及较高纯度的矢量光束。紧凑的“U”型腔和反射臂组合的设计，在保证谐振腔稳定锁模的同时，使激光器能够输出中心波长为1 024 nm，半高宽为14 nm，重复频率高达370.06 MHz的CVB。这为腔内产生具有高重复频率CVB光纤激光器的研究提供重要参考，并有望推动CVB的应用扩展研究。