近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率光纖激光技術實驗室研究團隊研究了光纖扭轉對環(huán)形光纖激光器的影響，并對兩種莫比烏斯環(huán)光纖激光器的偏振和縱模特性進行了詳細研究，相關研究成果以“Polarization and longitudinal modes of Mobius fiber ring lasers”為題發(fā)表于Optica，并被選為封面。
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莫比烏斯環(huán)，因其獨特的拓撲特性，在光學研究中受到廣泛關注。將莫比烏斯環(huán)結構引入光學腔，會觀察到有別于尋常光學腔的相位和偏振特性。文獻中有莫比烏斯環(huán)光學微腔的報道，但微腔結構制備需要高精度的工藝，而利用光纖搭建莫比烏斯環(huán)形腔甚至激光器十分便捷。將保偏光纖兩端偏振軸扭轉后熔接在一起，就可以形成莫比烏斯環(huán)環(huán)形腔。其中，180°和90°扭轉即為兩種類莫比烏斯環(huán)的情況。在實際光纖熔接時，很難區(qū)分0°和180°熔接，因此180°扭轉的情況可能在無意中形成，因而0°和180°扭轉下的輸出研究人員建立了基于瓊斯矩陣的理論模型，求解了任意扭轉角度的保偏光纖環(huán)形腔的本征偏振態(tài)和縱模。
理論分析表明光纖軸的扭轉會導致本征偏振態(tài)雜化，同時帶來幾何相關的相移，并進一步引起縱模的頻移。對兩種莫比烏斯環(huán)（180°和90°扭轉）的情況進行了詳細分析，其中光纖偏振軸的90°扭轉會帶來獨特的偏振和縱模特性。實驗上搭建了90°扭轉的莫比烏斯環(huán)光纖激光器，對激光輸出進行了偏振與縱模拍頻譜測量，驗證了理論預測。
該項工作首次開展了莫比烏斯環(huán)光纖激光器研究，為莫比烏斯環(huán)結構的激光器研究提供了便捷的平臺，也為光纖激光器及其應用開拓了新的方向。同時也是首次將幾何相位與拓撲等概念引入光纖激光器研究。
圖1（a）扭轉保偏光纖環(huán)形腔的原理圖。（b）莫比烏斯環(huán)光纖激光器實驗裝置圖。
圖2 莫比烏斯環(huán)光纖激光器的偏振特性。（a）不同泵浦功率下的偏振度。（b）單偏振狀態(tài)下，龐加萊球描繪的典型偏振態(tài)。
圖3 不同泵浦功率下（a）直接輸出，經過偏振分束器的（b）快軸和（c）慢軸測得的縱模拍頻譜。
該項研究獲得了國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.474407
延伸閱讀：
《帶間級聯(lián)激光器和量子級聯(lián)激光器技術及市場-2021版》
