CN102436065A - 利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法及装置 - Google Patents

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利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法及装置，属于光学领域，本发明为解决现有产生空心光束的方法产生效率低、数值孔径较小，且发生装置结构复杂，无法满足要求的问题。本发明沿液芯光纤一端入射信号光ES，沿液芯光纤的另一端入射泵浦光EP，所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角为θ，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角为α，所述信号光ES与泵浦光EP的频率差为液芯光纤中的芯液材料的布里渊频移，入射至液芯光纤的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，并形成空心光束从液芯光纤的另一端输出。产生并放大的空心光束内径的调节范围宽。

Description

利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法及装置
技术领域
本发明涉及利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法及装置，属于光学领域。
背景技术
在传播方向上中心光强为零的环状光束称为空心光束，它具有传播不变性、桶状强度分布、暗斑尺寸小、无加热效应等新颖独特的物理性质，在微观粒子的冷却与囚禁、激光加工及生物医学等方面有着广泛的应用。产生空心光束的方法有很多，以往常见的有横模选择法、几何光学法、模式变换法、计算全息法等，这些方法的实验装置一般较为复杂。近年来提出一些更为简洁的方法，如空心光纤法、多模光纤法、光纤模间干涉法及光子晶体光纤耦合器等。空心光纤的耦合效率一般低于50％，激光功率损耗较大。2007年《ChineseOptics Letter》第5卷第8期发表的《Generation of a hollow laser beam by a multimode fiber》提出利用多模光纤产生空心光束，通过调节入射光束和光纤轴线之间的夹角，来改变空心光束的内径。虽然效率较高，但数值孔径较小，这严重限制了入射光束夹角的变化范围，仅为±2.78°，从而限制了空心光束的内径。光纤模间干涉法(专利公开号：CN1834706A)及光子晶体光纤耦合器(专利申请公布号：CN101819326A)分别涉及到多模光纤和单模光纤的耦合以及光子晶体光纤和单模光纤的耦合，在这些光纤耦合过程中，由于存在模式不匹配的问题，激光损耗一般较大，损伤阈值降低。因此，这些方法更适合产生低功率或低能量的空心光束。然而，在一些诸如囚禁自由电子等方面的应用中，需要一种强脉冲激光空心光束来提高囚禁效率。而现有产生空心光束的方法产生效率低、数值孔径较小，且发生装置结构复杂，无法满足要求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有产生空心光束的方法产生效率低、数值孔径较小，且发生装置结构复杂，无法满足要求的问题，提供了一种利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法及装置。
本发明所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，沿液芯光纤一端入射信号光ES，沿液芯光纤的另一端入射泵浦光EP，
所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角为θ，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角为α，
所述信号光ES与泵浦光EP的频率差为液芯光纤中的芯液材料的布里渊频移，
入射至液芯光纤的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，并形成空心光束从液芯光纤的另一端输出。
实现所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法的装置，它包括激光器，1/2波片，偏振分光棱镜，信号光产生系统，全反镜，第一耦合透镜，液芯光纤，第二耦合透镜，第一全反镜和第二全反镜，
激光器发出的P偏振态激光入射至1/2波片，所述P偏振态激光透过1/2波片输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光，所述具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光入射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜反射所述S偏振态分量，偏振分光棱镜透射所述P偏振态分量，
被偏振分光棱镜反射输出的S偏振态分量入射至信号光产生系统，形成具有Stokes频移的P偏振态信号光，所述具有Stokes频移的P偏振态信号光反向输出入射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将其透射输出、并由全反镜反射后入射至第一耦合透镜，第一耦合透镜输出耦合后获得的P偏振态信号光作为信号光ES以入射角θ入射至液芯光纤中；
被偏振分光棱镜透射输出的P偏振分量连接经过第二全反镜和第一全反镜反射后，入射至第二耦合透镜，第二耦合透镜输出耦合后的P偏振态泵浦光作为泵浦光EP以入射角度α进入液芯光纤中，
入射至液芯光纤的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，泵浦光的能量向信号光转移，并形成空心光束从液芯光纤的泵浦光入射端输出。
本发明的优点：
1.利用一根液芯光纤在产生空心光束的同时对其进行高效放大，突破以往激光和光纤耦合效率低、损耗大等限制。
2.充以高折射率芯液材料的液芯光纤数值孔径很大，产生并放大的空心光束内径的调节范围宽。
3.改变液芯光纤的温度或者选择不同混合体积比的混合介质作为液芯光纤的芯液材料，均可对空心光束进行调谐。
4.根据实际应用灵活选择芯液材料，液芯光纤的工作波长范围较宽。
附图说明
图1是所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法的原理示意图；
图2是实现利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法的装置的结构示意图；
图3是信号光入射角度为0°时的输出空心光束的图像；
图4是信号光入射角度为3°时的输出空心光束的图像；
图5是信号光入射角度为10°时的输出空心光束的图像；
图6是信号光入射角度为15°时的输出空心光束的图像；
图7为泵浦光的入射角度为9°，能量为1mJ，信号光的入射角度为6°时，空心光束的放大倍率随信号光能量的变化关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，沿液芯光纤一端入射信号光ES，沿液芯光纤的另一端入射泵浦光EP，
所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角为θ，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角为α，
所述信号光ES与泵浦光EP的频率差为液芯光纤中的芯液材料的布里渊频移，
入射至液芯光纤的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，并形成空心光束从液芯光纤的另一端输出。
工作原理：
当一束激光从某一角度入射内径为10μm～700μm的液芯光纤，能够以低次或高次模的形式传播，在输出端将得到一个空心光束。而且，随着入射角度的不同，空心光束的内径随之改变。如图1所示，信号光Es以角度θ耦合进入液芯光纤，同时在光纤的另一端以角度α引入一束泵浦光Ep。当两束光的频率差为芯液材料的布里渊频移时，在液芯光纤内部将发生布里渊放大，即泵浦光Ep的能量将转移到信号光Es上，实现对信号光Es的放大。以角度θ入射的信号光Es在液芯光纤中以较高次模式进行传播，在形成空心光束的同时发生布里渊放大，输出放大光的空间分布由信号光Es经液芯光纤传播后形成的空间分布所决定，为一空心的环形光束。这里要求泵浦光Ep和信号光Es与光纤轴线之间的夹角α和θ在其数值孔径范围之内，否则光束将无法传输。偏离主轴方向引入泵浦光Ep的原因主要有两点：一是便于放大空心光束的提取；二是避开泵浦光Ep的后向散射光，提高放大空心光束的信噪比。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角θ选取范围为0°～20°之间。
泵浦光Ep和信号光Es与光纤轴线之间的夹角α和θ在其数值孔径范围之内，否则光束将无法传输。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角α选取范围为5°～20°之间。
泵浦光与液芯光纤轴线之间的夹角α的选取原则是既不能影响放大的空心光束输出，又要在液芯光纤的数值孔径内，选取范围为5°～20°之间。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，液芯光纤的长度选取0.2m～2m之间，内径选取10μm～700μm之间，液芯光纤中的芯液材料的折射率选取1.45～2之间。
具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，实现实施方式一所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法的装置，它包括激光器1，1/2波片2，偏振分光棱镜3，信号光产生系统4，全反镜5，第一耦合透镜6，液芯光纤7，第二耦合透镜8，第一全反镜9和第二全反镜10，
激光器1发出的P偏振态激光入射至1/2波片2，所述P偏振态激光透过1/2波片2输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光，所述具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光入射至偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3反射所述S偏振态分量，偏振分光棱镜3透射所述P偏振态分量，
被偏振分光棱镜3反射输出的S偏振态分量入射至信号光产生系统4，形成具有Stokes频移的P偏振态信号光，所述具有Stokes频移的P偏振态信号光反向输出入射至偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3将其透射输出、并由全反镜5反射后入射至第一耦合透镜6，第一耦合透镜6输出耦合后获得的P偏振态信号光作为信号光ES以入射角θ入射至液芯光纤7中；
被偏振分光棱镜3透射输出的P偏振分量连接经过第二全反镜10和第一全反镜9反射后，入射至第二耦合透镜8，第二耦合透镜8输出耦合后的P偏振态泵浦光作为泵浦光EP以入射角度α进入液芯光纤7中，
入射至液芯光纤7的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，泵浦光的能量向信号光转移，并形成空心光束从液芯光纤7的泵浦光入射端输出。
输出放大空心光束的频率与液芯光纤7中的芯液材料的布里渊频移有关，因此调谐空心光束的方法有两种：一种是将液芯光纤7放入恒温箱中，改变芯液材料的温度对所放大的空心光束进行调谐；二是向液芯光纤7中注入混合芯液材料，改变其混合体积比对所放大的空心光束进行调谐。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，信号光产生系统4包括1/4波片4-1、聚焦透镜4-2和液体介质池4-3，
由偏振分光棱镜3反射的S偏振分量经过1/4波片4-1透射后输出左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光经过聚焦透镜4-2进入液体介质池4-3中，液体介质池4-3输出的受激布里渊Stokes散射光，该受激布里渊Stokes散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经聚焦透镜4-2透射后，再入射至1/4波片4-1，1/4波片4-1将入射的右旋圆振光全部转换成P偏振态的光束，经偏振分光棱镜3透射，形成耦合后的P偏振态信号光。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式六作进一步说明，聚焦透镜4-2的焦距为5cm～15cm，液体介质池4-3的长度为30cm～60cm，液体介质池4-3中装入和液芯光纤7中相同的芯液材料。
液体介质池4-3中装入和液芯光纤7中相同的芯液材料，便于频率匹配，实现高效放大。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式五作进一步说明，通过改变全反镜5的角度来改变信号光ES进入液芯光纤7中的入射角度θ，通过改变第二全反镜10和第一全反镜9的角度来改变泵浦光EP进入液芯光纤7中的入射角度α。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式五作进一步说明，第一耦合透镜6和第二耦合透镜8的焦距为0.5cm～10cm。
具体实施方式十：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中给出一个具体的实施例。
激光器1选用固体ND:YAG调Q激光器，其输出脉宽为10ns的单纵模单横模近高斯型脉冲，激光倍频后输出波长为532nm脉冲激光。
实验中选取CS2作为液芯光纤7中的芯液材料和介质池4-3中的液体介质。CS2具有高布里渊增益，布里渊增益g＝68cm/GW；高折射率，折射率n＝1.63；低吸收系数，吸收系数a＝0.003cm-1的特点，这种液芯光纤7有很大的接收角和数值孔径NA(NA为0.68，而多模石英光纤仅为0.2)，泵浦光EP和信号光Es的入射角度调整范围较大，空心光束内径的调节范围宽，且耦合对准比较方便。液芯光纤7的长度为50cm，内径为400μm，第一耦合透镜6、第二耦合透镜8的焦距为5cm。图3～图6分别为信号光入射角度为0°、3°、10°和15°时的输出空心光束的图像。图7为泵浦光的入射角度为9°，能量为1mJ，信号光的入射角度为6°时，空心光束的放大倍率随信号光能量的变化关系，可见空心光束的最高放大倍率达106。
为实现输出空心光束的调谐，可在液芯光纤7内注入CS2和CCl4的混合液，改变其混合体积比，输出空心光束的调谐范围为这两种介质的布里渊频移之差。

Claims (9)

1.利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，其特征在于，沿液芯光纤一端入射信号光ES，沿液芯光纤的另一端入射泵浦光EP，
所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角为θ，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角为α，
所述信号光ES与泵浦光EP的频率差为液芯光纤中的芯液材料的布里渊频移，
入射至液芯光纤的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，并形成空心光束从液芯光纤的另一端输出。
2.根据权利要求1所述的利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，其特征在于，所述信号光ES与液芯光纤的轴线之间的夹角θ选取范围为0°～20°之间。
3.根据权利要求1所述的利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，其特征在于，所述泵浦光EP与液芯光纤的轴线之间的夹角α选取范围为5°～20°之间。
4.根据权利要求1所述的利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法，其特征在于，液芯光纤的长度选取0.2m～2m之间，内径选取10μm～700μm之间，液芯光纤中的芯液材料的折射率选取1.45～2之间。
5.实现权利要求1所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的方法的装置，其特征在于，它包括激光器(1)，1/2波片(2)，偏振分光棱镜(3)，信号光产生系统(4)，全反镜(5)，第一耦合透镜(6)，液芯光纤(7)，第二耦合透镜(8)，第一全反镜(9)和第二全反镜(10)，
激光器(1)发出的P偏振态激光入射至1/2波片(2)，所述P偏振态激光透过1/2波片(2)输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光，所述具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光入射至偏振分光棱镜(3)，偏振分光棱镜(3)反射所述S偏振态分量，偏振分光棱镜(3)透射所述P偏振态分量，
被偏振分光棱镜(3)反射输出的S偏振态分量入射至信号光产生系统(4)，形成具有Stokes频移的P偏振态信号光，所述具有Stokes频移的P偏振态信号光反向输出入射至偏振分光棱镜(3)，偏振分光棱镜(3)将其透射输出、并由全反镜(5)反射后入射至第一耦合透镜(6)，第一耦合透镜(6)输出耦合后获得的P偏振态信号光作为信号光ES以入射角θ入射至液芯光纤(7)中；
被偏振分光棱镜(3)透射输出的P偏振分量连接经过第二全反镜(10)和第一全反镜(9)反射后，入射至第二耦合透镜(8)，第二耦合透镜(8)输出耦合后的P偏振态泵浦光作为泵浦光EP以入射角度α进入液芯光纤(7)中，
入射至液芯光纤(7)的信号光ES与泵浦光EP相遇并发生布里渊放大，泵浦光的能量向信号光转移，并形成空心光束从液芯光纤(7)的泵浦光入射端输出。
6.根据权利要求5所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的装置，其特征在于，信号光产生系统(4)包括1/4波片(4-1)、聚焦透镜(4-2)和液体介质池(4-3)，
由偏振分光棱镜(3)反射的S偏振分量经过1/4波片(4-1)透射后输出左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光经过聚焦透镜(4-2)进入液体介质池(4-3)中，液体介质池(4-3)输出的受激布里渊Stokes散射光，该受激布里渊Stokes散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经聚焦透镜(4-2)透射后，再入射至1/4波片(4-1)，1/4波片(4-1)将入射的右旋圆振光全部转换成P偏振态的光束，经偏振分光棱镜(3)透射，形成耦合后的P偏振态信号光。
7.根据权利要求6所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的装置，其特征在于，聚焦透镜(4-2)的焦距为5cm～15cm，液体介质池(4-3)的长度为30cm～60cm，液体介质池(4-3)中装入和液芯光纤(7)中相同的芯液材料。
8.根据权利要求5所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的装置，其特征在于，通过改变全反镜(5)的角度来改变信号光ES进入液芯光纤(7)中的入射角度θ，通过改变第二全反镜(10)和第一全反镜(9)的角度来改变泵浦光EP进入液芯光纤(7)中的入射角度α。
9.根据权利要求5所述利用液芯光纤同时产生和放大空心光束的装置，其特征在于，第一耦合透镜(6)和第二耦合透镜(8)的焦距为0.5cm～10cm。
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