CN103149640A - 一种轴对称偏振光发生装置及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴对称偏振光发生装置及生成方法，激光器通过单模保偏光纤连接光纤分束器，后通过单模保偏光纤接两个偏振旋转器，两路输出，一路偏振旋转器通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤接光纤合束器；另一路偏振旋转器依次通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤和光纤相位调节器接光纤合束器，两路光栅的倾斜方向相互正交，光纤合束器通过少模保偏光纤输出轴对称偏振光。只需调节两个偏振旋转器和相位调节器，可得径向、角向和一般轴对称偏振光束。方法为全光纤型被动生成方法，克服非光纤型矢量偏振光生成装置复杂，以及其他全光纤型矢量偏振光生成法灵活度不够问题。本装置结构简单，方法灵活性强，可方便得到各种轴对称偏振光。

Description

一种轴对称偏振光发生装置及生成方法

技术领域

本发明涉及一种光学应用方法，特别涉及一种利用正交倾斜的光纤光栅轴对称偏振光发生装置及生成方法。

背景技术

在垂直于光束传播方向的横截面上，矢量偏振光的场强与偏振态在空间上是非均匀分布的，是满足麦克斯韦方程组的一类解。轴对称偏振光束是其中的一个特例，其模场与偏振态呈轴对称分布，根据偏振态分布的不同，可分为三类，即如图1所示径向偏振光、如图2所示角向偏振光与如图3所示一般轴对称偏振光，其中一般轴对称偏振光可由径向偏振光与角向偏振光线性叠加得到。

这种矢量偏振光有很多独特的聚焦特性，例如，径向偏振光的偏振和模场沿光轴方向呈轴对称分布，聚焦后在光轴上出现很强的纵向电场分量，光斑直径小，且是中空的，在C切向晶体中传播时不会发生串扰现象，等等。这些性质使得其在电子加速、激光加工、光学微操作、生物光子学以及高分辨显微成像技术等领域有着巨大的潜在应用价值，而当今对该技术的研究和应用还处在起步阶段。

生成矢量偏振光束的方法有主动和被动生成方法，主动法是在激光谐振腔腔内直接对模式进行选择或改造，被动法是在激光器外进行的，如组合玻片法、螺旋相位板法、光纤激发法等，这些方法不是全光纤型的且装置相对比较复杂。由于光纤技术的优越性，使得其在许多领域得到了广泛地应用。因此，人们迫切需要设计出一种简单灵活、效率高，且能够产生各种轴对称偏振光的全光纤型矢量偏振光发生器。目前，在行业界已陆续提出了这类全光纤型发生器的设计方法，如文献1：Rui Zheng, Chun Gu. “An all-fiber laser generating cylindrical vector beam”. J. Opt.Soc.Am.A18,10834-10838（2010）；文献2：Biao Sun, Anting Wang. “Low-threshold single-wavelength all-fiber laser generating cylindrical vector beams using a few-mode fiber Bragg grating”. J. Opt.Soc.Am.A37,464-466（2011）；文献3：Zhongxi Lin, Anting Wang. “Analysis of Generating Cylindrical Vector Beams Using a Few-Mode Fiber Bragg Grating”. J. Lightwave Technol.30,3540-3544(2012)。这些方法都是在光纤激光器内直接选模，属于主动产生方法，模式转换效率高，缺点是结构复杂，灵活度不够，不能很方便地产生各种矢量偏振光。

发明内容

本发明是针对现在非光纤型矢量偏振光生成方法装置复杂，全光纤型矢量偏振光生成法轴灵活度不够，不能很方便地产生各种矢量偏振光的问题，提出了一种轴对称偏振光发生装置及生成方法，是一种被动生成方法，在激光器外选模，用倾斜光纤光栅对基模高斯光束进行模式改造，再相干合成输出，能够很方便地得到各种轴对称偏振光束。

本发明的技术方案为：一种轴对称偏振光发生装置，激光器通过单模保偏光纤连接光纤分束器，光纤分束器两路输出，通过单模保偏光纤分别接两个偏振旋转器，一路偏振旋转器通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤接光纤合束器；另一路偏振旋转器依次通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤和光纤相位调节器接光纤合束器，两路光栅倾斜方向相互正交，光纤合束器通过少模保偏光纤输出轴对称偏振光。

所述中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤中的倾斜光纤光栅为折射率改变量成余弦调制的倾斜光栅。

一种轴对称偏振光生成方法，包括轴对称偏振光发生装置，包括如下具体步骤：

1）连接好的轴对称偏振光发生装置，其中一路偏振旋转器连接通过中间段为沿x轴方向倾斜光纤光栅的少模保偏光纤接光纤合束器；另一路依次通过中间段为沿y轴方向倾斜光纤光栅的少模保偏光纤和光纤相位调节器接光纤合束器；

2）调节两个偏振旋转器，使输出光束一路为沿x轴方向偏振，后接相位调节器的一路为沿y轴方向偏振；

3）调节相位调节器，使输入光纤合束器的两束光相位匹配；

4）两路光束经光纤合束器合成为一束光，通过少模保偏光纤输出径向偏振光；

5）再次调节两个偏振旋转器，使输出的光束偏振方向同步骤2）垂直，使输出光束一路为沿y轴方向，后接相位调节器的一路为沿x轴方向，调节相位调节器，使输入光纤合束器的两束光相位匹配，通过光纤合束器合成输出角向偏振光；

6）再次调节两个偏振旋转器，使输出两路光束的偏振方向在任意方向相互正交，任意方向为非x轴和非y轴方向，通过调节相位调制器使输入光纤合束器的两束光相位匹配，光纤合束器合成输出的光束为一般轴对称偏振光束。

本发明的有益效果在于：本发明是一种轴对称偏振光发生装置及生成方法，装置全光纤型，结构简单，便于固定封装，携带方便，方法灵活性强，可以很方便地得到各种轴对称偏振光束。

附图说明

图1为径向偏振光示意图；

图2为角向偏振光示意图；

图3为一般轴对称偏振光示意图；

图4为光纤中LP11模的第一种组合形式示意图；

图5为光纤中LP11模的第二种组合形式示意图；

图6为x方向倾斜的光纤光栅示意图；

图7为x方向偏振的高斯光束经x方向倾斜的光纤光栅后由基模LP01模耦合到LP11模示意图；

图8为y方向倾斜的光纤光栅示意图；

图9为y方向偏振的高斯光束经y方向倾斜的光纤光栅后由基模LP01模耦合到LP11模示意图；

图10为本发明光路连接示意图；

图11为本发明两束正交的LP11模相干合成的径向偏振光示意图；

图12为本发明两束正交的LP11模相干合成的角向偏振光示意图；

图13为本发明两束正交的LP11模相干合成的一般轴对称偏振光示意图。

具体实施方式

在单模光纤中，纤芯模只存在基模，光场呈近似高斯分布，引入短周期的布拉格光栅能实现基模的前向与后向耦合，达到谐振条件的波长，会出现很强的反射峰。对于少模光纤，只存在LP01、LP11模两种纤芯模式，而LP11模由TE01模和TM01模与HE21模组合而成，如图4和5所示光纤中LP11模的二种组合形式示意图，1为TM01模，2为奇HE21模，3为 LP11模。引入适当周期和适当倾斜角的光栅会使LP01基模与同向传输的LP11高阶模在传输距离上发生周期性地相互耦合。耦合遵循一定条件，在直角坐标系中，假定光的传输方向为沿z轴正方向，那么x方向倾斜的光纤光栅（光栅倾斜面的法线在x-z平面上，如图6所示。其中，                                               

为倾斜角，

为光栅周期）只能使耦合发生在LP01基模与类似厄米高斯光束HG01的LP11模(如图7所示)之间，y方向倾斜的光纤光栅（光栅倾斜面的法线在y-z平面上，如图8所示。其中

为沿光纤轴的光栅周期，

）只能使耦合发生在LP01基模与类似厄米高斯光束HG10的LP11模（如图9所示）之间，且偏振方向与入射光束的偏振方向一致。有关文献对此进行了详尽分析，如文献4：Kyung Shik Lee，Turan Erdogan. “Fiber mode conversion with tilted gratings in an optical fiber”. J. Opt.Soc.Am.A18,1176-1185（2001）.文献5：Kyung Shik Lee，Turan Erdogan. “Fiber mode coupling in transmissive and reflective titled fiber gratings”. J. Opt.Soc.Am.A39,1349-1404（2000）。这是本方案合成轴对称矢量偏振光的基本原理。这里我们用两根正交倾斜的光纤光栅，将分束后的基模光束分别耦合，得到相互正交的LP11模光束，然后相干合成，生成轴对称矢量偏振光。

利用了少模光纤支持不同模场存在的特点，以及倾斜光纤光栅能使其中不同模式相互耦合的特性。用正交倾斜的光纤光栅生成的两种正交分布（包括偏振和模场分布）的LP11模光束相干合成生成轴对称偏振光，实际上就是把这两种LP11模各自的HE21模成分相抵消，因为它们电场的偏振方向相反，从LP11模的组合形式可以看出，见图4、图5，剩下TE01或TM01模成分相干生成对应的轴对称偏振光。

一、     产生径向偏振光：

如图10所示光路连接示意图，用单模保偏光纤5、7将激光器4、光纤分束器6与偏振旋转器8、9依次连接起来。单模保偏光纤5、7只存在基模，且基模的偏振态能得到保持。光纤分束器3将一束激光等比分束为两束激光。偏振旋转器8、9可以任意改变分束后激光的偏振方向。

偏振旋转器8、9再与少模保偏光纤12相连。少模保偏光纤只能存在LP01和LP11模两种模式。当激光正入射时，单模光纤中只会激发出基模，少模光纤激发出的模式绝大部分为基模，只有很少的高阶模被激发，因此我们忽略倾斜光纤光栅对入射的少量高阶模的耦合影响。 

少模保偏光纤的纤芯中间段刻有折射率改变量成余弦调制的倾斜光栅，其制作过程是将光纤纤芯光敏性材料在一定倾角的条件下，利用紫外光的干涉条纹曝光形成的。与偏振旋转器8连接的是沿x轴方向倾斜光纤光栅10，与偏振旋转器9连接的是沿y轴方向倾斜光纤光栅11。

通过调节两个偏振旋转器8、9，如图11所示两束正交的LP11模相干合成的径向偏振光示意图，使上路光束的偏振方向沿x轴方向，使下路光束的偏振方向沿y轴方向。这样两路光束经倾斜光纤光栅后，激励出的大部分基模就会与LP11模相互耦合，耦合得到的LP11模的模场分布和偏振方向都相互正交。

在一路输出的末端连接光纤相位调节器13，再使两路光束经光纤合束器14合成为一束光，通过少模保偏光纤15输出。这里相位调制器13的作用是通过调节它，使两路正交的LP11模光束达到相位匹配条件，保证合成的光束为径向偏振光。

二、产生角向偏振光：

如图10所示光路连接与上述产生径向偏振光的连接方式相同，只需调节两个偏振旋转器8、9，如图12所示两束正交的LP11模相干合成的角向偏振光示意图，使上路光束的偏振方向沿y轴方向，使下路光束的偏振方向沿x轴方向。同样通过调节相位调制器13，使两路LP11模光束达到相位匹配条件。这样经光纤合束器合成输出的光束就为角向偏振光。

三、产生一般轴对称偏振光：

如图10所示光路连接与上述产生径向偏振光的连接方式相同，固定不动，调节两个偏振旋转器，如图13所示两束正交的LP11模相干合成的一般轴对称偏振光示意图，使上下两路光束的偏振方向相互正交，避免出现上述两种偏振正交情况，通过调节相位调制器使相位匹配，这样合成输出的光束就为一般轴对称偏振光束。

Claims (3)

1.一种轴对称偏振光发生装置，其特征在于，激光器通过单模保偏光纤连接光纤分束器，光纤分束器两路输出，通过单模保偏光纤分别接两个偏振旋转器，一路偏振旋转器通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤接光纤合束器；另一路偏振旋转器依次通过中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤和光纤相位调节器接光纤合束器，两路光栅倾斜方向相互正交，光纤合束器通过少模保偏光纤输出轴对称偏振光。

2.根据权利要求1所述轴对称偏振光发生装置，其特征在于，所述中间段有倾斜光纤光栅的少模保偏光纤中的倾斜光纤光栅为折射率改变量成余弦调制的倾斜光栅。

3.一种轴对称偏振光生成方法，包括轴对称偏振光发生装置，其特征在于，包括如下具体步骤：

1）连接好的轴对称偏振光发生装置，其中一路偏振旋转器连接通过中间段为沿x轴方向倾斜光纤光栅的少模保偏光纤接光纤合束器；另一路依次通过中间段为沿y轴方向倾斜光纤光栅的少模保偏光纤和光纤相位调节器接光纤合束器；

2）调节两个偏振旋转器，使输出光束一路为沿x轴方向偏振，后接相位调节器的一路为沿y轴方向偏振；

3）调节相位调节器，使输入光纤合束器的两束光相位匹配；

4）两路光束经光纤合束器合成为一束光，通过少模保偏光纤输出径向偏振光；

5）再次调节两个偏振旋转器，使输出的光束偏振方向同步骤2）垂直，使输出光束一路为沿y轴方向，后接相位调节器的一路为沿x轴方向，调节相位调节器，使输入光纤合束器的两束光相位匹配，通过光纤合束器合成输出角向偏振光；

6）再次调节两个偏振旋转器，使输出两路光束的偏振方向在任意方向相互正交，任意方向为非x轴和非y轴方向，通过调节相位调制器使输入光纤合束器的两束光相位匹配，光纤合束器合成输出的光束为一般轴对称偏振光束。

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