CN103246009B - 方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法，该光纤由包层、一组或多组阵列方形芯构成，每一组阵列方形芯的空间排布满足或近似满足Airy函数，并且总会存在某一长度的Airy光纤，当向光纤一端输入高斯光束时，通过纤芯之间的光耦合，光纤另一端每一组阵列方形芯的出射光束的光强分布都满足或近似满足于Airy光束的光强分布。该光纤的制备包括包层预制棒处理、纤芯预制棒处理和光纤拉制三个过程，本发明涉及方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法，该光纤纤端出射的光束继承或部分继承了Airy光束的三大特性，即光束具有横向加速、无衍射和自愈能力，整体上具有结构微小、操作灵活、系统稳定和抗干扰能力强等特点。可以用于光束生成、微粒操控、传感应用等。

Description

方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及一种光纤及其制备技术，具体涉及一种方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法。

(二)背景技术

光波在传播过程中始终保持不变被认为是无衍射光束，无衍射波最典型的例子是贝塞尔光束。1979年，M.V.Berry等(Am.J.Phys.，1979，47(3)：246～267)在量子学的背景下，理论上推出薛定谔方程具有无衍射的Airy波包的解，该波包具有自由加速的特性。2007年Georgios A.Siviloglou等(Opt.lett.，2007，32(8)：979～981)首先研究了有限能量的加速Airy光束，并首次观察到Airy激光束的实验结果(Frontiers in Optics，OSA，2007.PDP_B3)，实验验证了Airy激光束具有不同寻常的特点，能保持长距离无衍射(Phys.Rev.Lett.，1987，58(15)：1499～1510和J.Opt.Soc.Am.A，1987，4(4)：651～654)传播，并具有自由加速的特性。

总之，Airy激光束具有以下非常诱人的3大特性：在传播过程中自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下弹丸运动的弹道；在传播过程中近似保持无衍射；在传播过程中具有自愈的特性(Opt.Commun.，1998，151(4-6)：207～211和Opt.Commun.，1998，151(4-6)：207～211)。

作为光学传输介质，与玻璃材料相比，聚合物具有易成型、低成本、重量轻、柔韧性优异和耐冲击等优点。目前聚合物光纤的制作方法主要有以下四种：预制棒拉纤法、批量挤出法、连续挤出法和熔融预制棒。其中预制棒拉纤法应用比较广泛，1996年，美国《微波技术》(Journal of Lightwave Technology，1994，14：2215-2223)提到两种单模阶跃型聚合物光纤预制棒的制备方法，一是“棒管”技术，此技术所制作的棒太粗，拉出的光纤很难达到单模的效果；二是“孔棒”技术，即在做好的包层预制棒上钻个小孔，再在里面灌入单体，然后再进行聚合，所以包层纤芯分界不光滑，导致附加的散射损耗。中国专利CN200910142379.9提供了一种聚合物光纤预制棒的反应模具，该模具加入了绷直的聚四氟乙烯绳或金属丝，从而使制备出的预制棒表面光洁平整，较少气泡形成，易于拉丝成纤。

尽管Airy光束的研究和应用越来越广泛，但在光纤中的应用并未涉及，由于聚合物材料的特性，使之易于制作出这些Airy光纤。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可在光纤端生成Airy光束的方形芯聚合物Airy光纤及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

在实验中，有限能量Airy激光束可以采用高斯光束通过立方相位的调制，再经过傅里叶透镜实现。因此，当高斯光入射进入一段Airy光纤(光纤芯的空间排布满足或近似满足于Airy函数)后，纤芯之间的光耦合可实现相位调制，通过改变Airy光纤的长度，可以使光纤端输出光场的强度和相位都满足或近似满足于Airy分布，这样，就在Airy光纤端得到了Airy光束或者准Airy光束。

二维Airy激光束(如图1所示)在空间中传输如图2所示，从图中，可以看出Airy光束所具有的3大特性：(1)自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下的弹丸运动的弹道；(2)在传输过程中近似保持无衍射；(3)自愈特性，当Airy激光束某一主极大衰减到极小值之后，马上会逐渐“自愈”形成一个极大值。同样，不管是一维方形芯聚合物Airy光纤(如图3、4和5)还是二维方形芯聚合物Airy光纤(如图10、11和12)的出射光场，它们都继承了Airy光束的部分特性，但是，由于图中纤芯数量的限制，使得光纤端出射的光束只拥有数量有限的主极大，因此，自愈特性受到了抑制，而自由加速和无衍射特性也被消弱。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、方形芯聚合物Airy光纤出射端出射的光束继承或部分继承了Airy光束的三大特性，和一般单模光纤出射端出射的光场相比，其无衍射传输距离要大几倍甚至更高。

2、传统的Airy光束通过几何光路实现，而方形芯聚合物Airy光纤则把这些光路‘集成’在一起，结构微小，系统稳定，抗干扰能力强。

3、由于方形芯聚合物Airy光纤空间柔韧性极好，因此可以选择在任意合适的位置和方向上输出Airy光束，便于在微粒操控和传感上的应用。

(四)附图说明

图1是二维Airy光束示意图；

图2是二维Airy光束在空间中的传输示意图；

图3是一维方形芯聚合物Airy光纤示意图；

图4是一维方形芯聚合物Airy光纤的横截面示意图；

图5是一维方形芯聚合物Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；

图6是基于“插孔”的方形芯聚合物Airy光纤的包层预制棒的制备示意图；

图7是方形芯聚合物Airy光纤的纤芯预制棒的制备示意图；

图8是制备方形芯聚合物Airy光纤预制棒的示意图；

图9是基于“开槽”的方形芯聚合物Airy光纤的包层预制棒的制备示意图；

图10是二维方形芯聚合物Airy光纤示意图；

图11是二维方形芯聚合物Airy光纤的横截面示意图；

图12是二维方形芯聚合物Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；

图13是多组一维纤芯阵列非相交排列的方形芯聚合物Airy光纤横截面示意图；

图14是多组二维纤芯阵列相交或非相交排列的方形芯聚合物Airy光纤横截面示意图；

图15是方形芯聚合物Airy光纤端出射的准Airy光束光强、普通单模光纤出射高斯光束光强和Airy光束光强之间随传输距离变化的关系对比示意图；

图16是纤芯为十字形分布的方形芯聚合物Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；

图17是纤芯数量较多的方形芯聚合物Airy光纤端出射的准Airy光束光强和Airy光束光强之间随传输距离变化的关系对比示意图；

图18是带光源尾纤的一维方形芯聚合物Airy光纤示意图；

图19是与多组一维纤芯阵列非相交排列的方形芯聚合物Airy光纤匹配的多芯光纤和光纤尾纤的焊接对准示意图；

图20是带光源输入结构的多组一维纤芯阵列非相交排列的方形芯聚合物Airy光纤示意图；

图21是带光源尾纤的二维方形芯聚合物Airy光纤示意图；

图22是带光源输入结构的多组二维纤芯阵列非相交排列的方形芯聚合物Airy光纤示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图3-图9，本发明第一种实施方式具有一组一维线性阵列纤芯排布的一维方形芯聚合物Airy光纤(包含包层1和纤芯阵列2)。向一段一维方形芯聚合物Airy光纤的一端输入高斯光3，通过纤芯阵列2的光耦合，当这段一维方形芯聚合物Airy光纤的另一端的出射光场4的强度和相位刚好满足(或近似满足)Airy光束光强分布函数5时，一维方形芯聚合物Airy光纤出射的光场将等同于(或近似等同于)Airy光束，它将继承(或部分继承)Airy光束的三大特性，保持无衍射继续传输一定距离，并具有自由加速的特性(如图5)。

该光纤的制备过程可分为以下几个步骤：

步骤1：如图6所示，模具5与加热装置相连，内部存在空腔6，腔内固定有金属或其他材料的探针7，在模具5加热状态下，插入聚合物包层预制棒8，然后拔出形成具有空心方孔9的包层预制棒(如图8所示)；

步骤2：如图7所示，在加热状态下，把聚合物纤芯预制棒10插入两个旋转方向相反的轮11的中间间隙中，通过两轮11的挤压变形，最后形成聚合物方形纤芯预制棒12；

步骤3：如图8所示，把制备好的聚合物方形纤芯预制棒12插入聚合物包层预制棒8的方形孔中形成光纤预制棒，最后熔融拉制出方形孔聚合物Airy光纤。

此外，空心方孔9的包层预制棒也可以采用以下方法制备：如图9所示，将包层预制棒9剖开形成两部分，然后根据方形孔的大小和位置，在相应位置凿出方形槽13，最后把这两部分组合在一起就形成具有方形孔9的包层预制棒8。

结合图10-图12，本发明第二种实施方式具有两组相互垂直相交的一维线性阵列纤芯排布的二维方形芯聚合物Airy光纤(包层1和纤芯阵列2)。区别于一维方形芯聚合物Airy光纤，二维方形芯聚合物Airy光纤出射的光场的无衍射传输距离更远，该光纤的制备方法和第一种实施方式相同。

第一种实施方式的纤芯排布可以扩展到多组一维方形芯聚合物Airy光纤芯相交或非相交排布，如图13。同样，第二种实施方式的纤芯排布也可以扩展到多组二维方形芯聚合物Airy光纤芯相交或非相交排布，如图14。相比于单组的一维或二维方形芯聚合物Airy光纤，多组一维或二维方形芯聚合物Airy光纤可根据需要改变每组纤芯的参数(折射率、芯径和芯于芯的间距)，以实现每组纤芯出射的准Airy光束存在一定的光强差或相位差，使方形芯聚合物Airy光纤的应用更加广泛。

方形芯聚合物Airy光纤纤芯排布方式对其无衍射传输距离影响非常巨大。图15表示普通单模光纤14、一维方形芯聚合物Airy光纤15、二维方形芯聚合物16、纤芯十字形分布的方形芯聚合物Airy光纤17的纤端出射光场和Airy光束18的传输光场的归一化光强随传输距离(Z)的变化关系。从图中可以看出，一般的一维或二维方形芯聚合物Airy光纤端出射的准Airy光束的无衍射传输距离远远大于高斯光束(普通单模光纤端出射光束可认为是高斯光束)，而一些特殊结构的Airy光纤(如图中的纤芯十字形分布的方形芯聚合物Airy光纤17)出射光束的无衍射传输距离甚至要远大于Airy光束，但由于结构对称性，这些结构失去了自由加速的特性(如图16)。

方形芯聚合物Airy光纤纤芯数量对其自愈能力的强弱也影响很大。图17给出了二维Airy方形芯聚合物光纤16(纤芯数量较多)、特殊二维方形芯聚合物Airy光纤19的纤端出射光场和Airy光束11的传输光场的归一化光强随传输距离(Z)的变化关系。纤芯数量较少的方形芯聚合物Airy光纤自愈能力较弱(如图15)，但从图17可以看出，此时的方形芯聚合物Airy光纤的传输光场具有一定的自愈能力，当传输光场衰减到一定程度时，由于自愈能力光场会再次出现一个峰值。

实施例1：

1、光纤制备：按照第一种实施方式的光纤制备方法制备出一维方形芯聚合物光纤20；

2、光源耦合：将制备好的一维方形芯聚合物光纤20切割，然后与带光源尾纤的单模光纤21对准、焊接，如图18所示；

3、准Airy光束生成：将一维方形芯聚合物光纤20的另一端(作为光束出射端)光纤切割，输入激光23，观测一维方形芯聚合物光纤20出射端的光场23的光强，若不满足Airy光束光强分布函数5，则继续切割或研磨光纤端，直到出射光场23与Airy光束的相似度最大为止。

实施例2：

1、光纤制备：按照第一种实施方式的光纤制备方法制备出多组一维方形芯非相交排布的聚合物Airy光纤24；

2、光源耦合：取一段纤芯与多组一维方形芯非相交排布的聚合物Airy光纤24相对应的多芯聚合物光纤25，如图19所示，将一端的光纤涂覆层祛除、切割，然后与带光源尾纤的单模光纤21对准、焊接，在图19所示的焊点26处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合进多芯聚合物光纤25的光功率达到最大为止；

3、耦合连接：将多芯聚合物光纤25另一端涂覆层祛除、切割，同时取一段制备好的多组一维方形芯非相交排布的聚合物Airy光纤24，将一端切割，然后将它们对准、焊接，如图20所示；

4、准Airy光束生成：输入激光23，观测Airy光纤24出射端的光场27，若不满足Airy光束光强分布函数5，则继续切割或研磨光纤端，直到出射光场27与Airy光束的相似度最大为止。

实施例3：

实施例1和实施例2中的一维方形芯聚合物Airy光纤可由二维方形芯聚合物Airy光纤代替，如图21和图22。

Claims (6)

1.一种方形芯聚合物Airy光纤，其特征是：所述的Airy光纤由包层、一组或多组阵列方形芯构成，每一组阵列方形芯的空间排布满足或近似满足Airy函数，并且总会存在某一长度的Airy光纤，当向光纤一端输入高斯光束时，通过纤芯之间的光耦合，光纤另一端每一组阵列方形芯的出射光束的光强分布都满足或近似满足于Airy光束的光强分布。

2.根据权利要求1所述的一种方形芯聚合物Airy光纤，其特征是：所述的某一长度的Airy光纤的长度值取决于光纤的折射率分布、每个纤芯的大小和纤芯之间的间距。

3.根据权利要求1所述的一种方形芯聚合物Airy光纤，其特征是：所述的一组阵列方形芯的几何分布特征是：两个或两个以上的方形纤芯一维线性阵列分布。

4.根据权利要求1所述的一种方形芯聚合物Airy光纤，其特征是：所述的光纤芯的传输模式的特征是：单模或多模。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种方形芯聚合物Airy光纤，其特征是：所述的多组阵列方形芯的几何分布特征是：相交或非相交排列。

6.根据权利要求1-4任何一项所述的一种方形芯聚合物Airy光纤，其制备方法特征是：所述的Airy光纤的制备步骤是：

1)包层预制棒处理：选择合适的聚合物包层预制棒，并沿轴向加工出方形孔；

2)纤芯预制棒处理：对截面为圆形的纤芯预制棒进行加工处理使之截面成为方形；

3)拉制光纤：把加工之后的纤芯预制棒放入包层预制棒的方形孔中，然后熔融拉制出光纤。