CN100371745C - 利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法，属光学及光纤技术领域。空心光束的产生过程：采用对所用光的波长为单模的光纤和多模的光纤，两种光纤无偏心对接后，选择多模光纤的直径为5～50微米，在多模光纤内光能量集中在两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂上，并选择多模光纤的长度L使两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂在多模光纤的输出端满足干涉相减的条件，多模光纤的输出端及自由空间产生的合成光束为空心光束。空心光束的调谐过程：采用温度元件改变多模光纤的环境温度，或者是对多模光纤施加沿轴向应力，对所形成的合成光束进行调谐。本发明的方法具有结构简单易于实现、可调谐等特点。可应用在原子光学，生物医学等领域。

Description

利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法

技术领域

本发明涉及一种产生空心光束及调谐的方法，特别是一种利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法，属光学及光纤技术领域。

背景技术

所谓空心光束是指在光束的传播方向上中心光强较低或为零的环状光束。一般的激光束都是其中心光强为最大，沿径向逐渐减弱，多数情况下可用高斯模型进行描述。空心光束具有高斯光束所不具备的物理特性，如小暗斑尺寸、传输不变性，有些空心光束还具有自旋和轨道角动量。由于空心光束的特性，使之在现代物理，生物医学，光通信及光传感等领域有着重要的应用前景。例如，利用空心光束的特性，可以对包括微纳米粒子、分子、原子、自由电子在内微观粒子进行精确无接触控制。还可采用空心光束对生物细胞进行操作。采用高斯光束的光镊(Optical tweezers)技术已被广泛应用于生物细胞和微小介质粒子的光学囚禁和控制，但采用高斯光束的光镊只能用于囚禁折射率高于周围介质折射率的粒子，而无法对折射率低于周围介质折射率的粒子进行控制。采用空心光束则无此限制。此外，由于空心光束中心光强较低或为零，所以由光吸收而造成的粒子热损伤的可能性大大减小。

一般的激光器输出的光束为基横模，即普通的高斯光束。如在激光腔内加入横模选择器则可使其运行在高阶模状态，从而获得高阶高斯光束，即空心光束。采用横模选择技术已在He-Ne，CO₂以及染料激光器上成功地获得空心光束。使用圆锥棱镜(Axicon)是一种实用的产生空心光束的几何光学法，圆锥棱镜对入射的高斯光束产生沿轴向对称的折射，改变入射光束的空间分布，从而形成空心光束。采用圆锥棱镜可获得接近100％的转换效率。此外，还可以使用圆锥棱镜将拉盖尔-高斯光束变换为高阶贝塞尔光束。其它产生空心光束的方法光学全息法和计算全息法等。上述产生空心光束的方法一般较复杂，有的方法只能产生近似或局域空心光束。

发明内容

本发明的目的就是提供一种利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法。该方法具有易于实现、光束变换与光束传输同时在光纤内完成(因而具有结构紧凑)、可调谐等特点。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种利用光纤模间干涉产生空心光束的方法，其特征在于包括以下过程：采用对所用光的波长为单模光纤和对所用光的波长为多模光纤的两种光纤，将两种光纤无偏心对接后，当选择多模光纤的纤芯直径为5～50微米，则在多模光纤内光能量集中在两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂上，并选择多模光纤的长度L使两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂在多模光纤的输出端满足干涉相减的条件时，则在多模光纤的输出端及自由空间产生的合成光束为空心光束。

一种调谐上述空心光束的方法，其特征在于包括以下过程：1、采用温度元件改变多模光纤的环境温度，对所形成的合成光束进行调谐；2、或者是对多模光纤施加沿轴向应力，对所形成的合成光束进行调谐。

本发明是基于以下原理。

在圆形阶跃光纤纤芯内，线偏振模LPmn的电场可表示为：

$E_{\mathrm{co}}=\frac{A}{J_n\left(U\right)}{J}_n\left(\frac{U}{a}r\right)\cos \mathrm{m\φ},$ r≤a，

在包层内的电场可表示为：

$E_{\mathrm{cl}}=\frac{A}{K_n\left(U\right)}{K}_n\left(\frac{U}{a}r\right)\cos \mathrm{m\φ},$ r＞a，

其中，J_n(x)为n阶第一类贝塞尔函数；K_n(x)为n阶第二类变态贝塞尔函数；U为纵向传播常数；W为横向传播常数；a为圆形阶跃光纤纤芯半径。上式表明多模光纤纤芯内各阶模的电场分布为贝塞尔函数，且在中心处有最大值。所以由单个模无法产生空心光束。

当上述第一种单模光纤与第二种多模光纤无偏心对接后，由单模光纤传输的光向多模光纤耦合。由于对称性，在多模光纤内只能激发圆对称的线偏振模LP₀n。由单模光纤内的基模向多模光纤的不同阶模耦合的能量耦合系数由下式决定

${\mathrm{\η}}_n=\frac{{\left|{\∫}_0^{\∞}{E}_{S1}\left(r\right)E_{\mathrm{Mn}}\left(r\right)\mathrm{rdr}\right|}^2}{{\∫}_0^{\∞}{\left|E_{S1}\left(r\right)\right|}^2\mathrm{rdr}{\∫}_0^{\∞}{\left|E_{\mathrm{Mn}}\left(r\right)\right|}^2\mathrm{rdr}},$

其中，E_S1(r)为单模光纤内基模的电场；E_Mn(r)为多模光纤内LP₀n阶模的电场。分析计算表明，通过改变多模光纤的参数可以有效地控制多模光纤内各阶模之间的能量分配。适当选择多模光纤的参数可以使之产生线偏振模LP₀₁和LP₀₂，它们在沿光纤同向传播过程中会产生干涉。如设多模光纤的长度为L，LP₀₁和LP₀₂模的纵向传播常数分别为u₁和u₂，则当(u₁-u₂)L＝(2K+1)π时，LP₀₁和LP₀₂模之间产生相减干涉。此时，在多模光纤输出端自由空间光纤中心线上产生暗斑，形成空心光束。

由于纵向传播常数u₁、u₂和L都为温度和所承受外界应力的函数，所以改变光纤的环境温度或对其施加沿轴向的应力即可对所产生的干涉场进行调谐。此外，如所用多模光纤具有光敏性，还可采用紫外光照射来实现调谐。

本发明所涉及的方法具有结构简单易于实现、光束变换与光束传输同时在光纤内完成(因而具有结构紧凑)、可调谐等特点。可应用在原子光学，现代光学，现代物理学，材料科学，生物医学等领域。

附图说明

图1为采用温度调谐产生空心光束的光纤装置结构示意图。

图中：101为单模光纤的包层；102为单模光纤的纤芯；103为多模光纤的包层；104为多模光纤的纤芯；105为温度控制元件。

图2为采用应力调谐产生空心光束的光纤装置结构示意图。

图中：101为单模光纤的包层；102为单模光纤的纤芯；103为多模光纤的包层；104为多模光纤的纤芯；106为固定的光纤夹持装置；107为可移动的光纤夹持装置。

图3为以图1光纤装置或图2光纤装置产生的空心光束模场图。

图中：108为LP₀₁的模场图；109为LP₀₂的模场图；110为空心光束的模场图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，采用的单模光纤的纤芯(102)直径为4μm，包层(101)直径为125μm，对630nm波长其数值孔径为0.13。多模光纤的纤芯(104)直径为9μm，包层(103)直径为125μm，对1310nm波长其数值孔径为0.14。使用光纤熔接机将一段长度为65mm的上述多模光纤与上述单模光纤熔接在一起。采用带尾纤输出的波长为635nm的单模半导体激光器作光源。采用单模光纤连接器将所述单模光纤与半导体激光器输出的尾纤对接。温度控制元件(105)采用半导体制冷器，所述多模光纤固定在半导体制冷器上。

根据已知的光纤参数通过理论计算可知，由所述单模光纤输出的光(635nm)可在所述多模光纤内激发出LP₀₁和LP₀₂线偏振模，其电场强度比约为1.3∶1。由半导体激光器输出635nm的激光经单模光纤传输并耦合至多模光纤，在多模光纤输出端自由空间LP₀₁和LP₀₂线偏振模产生干涉。通过改变半导体制冷器的驱动电流调节多模光纤的温度，可以使光纤中心线上产生暗斑，形成空心光束。

将多模光纤的两端分别固定在两光纤夹持器上，其中一个光纤夹持器保持不动，另一个光纤夹持器固定在一个微位移平台上，该微位移平台可沿光纤轴向移动，以调节施加在多模光纤上的张力。当多模光纤上的张力达到一定值时，在多模光纤输出端自由空间光纤中心线上产生暗斑，形成空心光束。

除此之外，采用本发明提供的方法，通过选取多模光纤的参数，使之产生更高阶的线偏振模，这些模产生多模干涉，可产生包括贝塞尔光束在内的其它特种光束，并且具有可调谐功能。

Claims (3)

1.一种利用光纤模间干涉产生空心光束的方法，其特征在于包括以下过程：采用对所用光的波长为单模光纤和对所用光的波长为多模光纤的两种光纤，将两种光纤无偏心对接后，当选择多模光纤的纤芯直径为5～50微米，则在多模光纤内光能量集中在两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂上，并选择多模光纤的长度L使两个最低阶圆对称线偏振模LP₀₁和LP₀₂在多模光纤的输出端满足干涉相减的条件时，则在多模光纤的输出端及自由空间产生的合成光束为空心光束。

2.一种调谐权利要求1产生的空心光束的方法，其特征在于包括以下过程：采用温度元件改变多模光纤的环境温度，对所形成的合成光束进行调谐。

3.一种调谐权利要求1产生的空心光束的方法，其特征在于包括以下过程：对多模光纤施加沿轴向应力，实现对所形成的合成光束进行调谐。

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