上海光机所将莫比乌斯环结构引入光纤激光器研究

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室研究团队研究了光纤扭转对环形光纤激光器的影响，并对两种莫比乌斯环光纤激光器的偏振和纵模特性进行了详细研究，相关研究成果以“Polarization and longitudinal modes of Moebius fiber ring lasers”为题发表于Optica，并被选为封面。

莫比乌斯环，因其独特的拓扑特性，在光学研究中受到广泛关注。将莫比乌斯环结构引入光学腔，会观察到有别于寻常光学腔的相位和偏振特性。文献中有莫比乌斯环光学微腔的报道，但微腔结构制备需要高精度的工艺，而利用光纤搭建莫比乌斯环形腔甚至激光器十分便捷。将保偏光纤两端偏振轴扭转后熔接在一起，就可以形成莫比乌斯环环形腔。其中，180°和90°扭转即为两种类莫比乌斯环的情况。在实际光纤熔接时，很难区分0°和180°熔接，因此180°扭转的情况可能在无意中形成，因而0°和180°扭转下的输出特性差异是个值得研究的问题。90°扭转的情况曾被用来解决光纤陀螺仪中的温度敏感问题，目前尚未有此类光纤激光器的研究。

研究人员建立了基于琼斯矩阵的理论模型，求解了任意扭转角度的保偏光纤环形腔的本征偏振态和纵模。理论分析表明光纤轴的扭转会导致本征偏振态杂化，同时带来几何相关的相移，并进一步引起纵模的频移。对两种莫比乌斯环（180°和90°扭转）的情况进行了详细分析，其中光纤偏振轴的90°扭转会带来独特的偏振和纵模特性。实验上搭建了90°扭转的莫比乌斯环光纤激光器，对激光输出进行了偏振与纵模拍频谱测量，验证了理论预测。

该项工作首次开展了莫比乌斯环光纤激光器研究，为莫比乌斯环结构的激光器研究提供了便捷的平台，也为光纤激光器及其应用开拓了新的方向。同时也是首次将几何相位与拓扑等概念引入光纤激光器研究。

该项研究获得了国家自然科学基金的支持。

图1 （a）扭转保偏光纤环形腔的原理图。（b）莫比乌斯环光纤激光器实验装置图。

图2 莫比乌斯环光纤激光器的偏振特性。（a）不同泵浦功率下的偏振度。（b）单偏振状态下，庞加莱球描绘的典型偏振态。

图3 不同泵浦功率下（a）直接输出，经过偏振分束器的（b）快轴和（c）慢轴测得的纵模拍频谱。

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