CN103246013B - 具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，包括包层，一个实心圆形和多个同心圆环波导芯，或者一个部分实心圆形和多个部分同心圆环波导芯。该光纤的波导芯之间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，通过波导芯之间的光耦合，光纤另一端的出射光束满足或近似满足于Airy光束。本发明的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，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
(一)技术领域
本发明涉及一种光纤，优选地应用于使用光纤的光束生成、微粒操控、传感应用等。
(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)。Airy激光束具有的这些独特的特性，因此有着广泛的应用潜力。PavelPolynkindeng等(Science，2009，324(5924)：229～232)使用二维Airy激光束的飞秒脉冲引发空气中非线性的等离子体细丝。J.Baumgartl等(Nature Photonics，2008，2(11)：675～678)利用Airy激光束照射在微米量级的交替颗粒样品室里，实现了在局部区间精确转移或清理光学颗粒。
微结构光纤制备大致分为类似的两个步骤：制备光纤预制棒和在光纤拉丝塔上将光纤预制棒拉成光纤。其中制备光纤预制棒的不同气相沉积工艺包括气相化学沉积工艺(MCVD)、轴向气相沉积(VAD)和外部气相沉积(OVD)等。利用这些工艺可以制作各种不同结构的微结构光纤，例如美国专利(Optical Fiber，United States Patent，PatentNumber6，917，742B2，2005)就利用了这种工艺制作了一种具有光纤芯、包层同时还具有同轴波导层的微结构光纤，该光纤的同轴波导层具有不同的几何结构或为多个D型、或为多个特殊半圆形、或为多边形、或为多个空芯区域等多种特殊几何结构。中国专利(CN2010101333476.4)采用了MCVD工艺制备了一种具有环形波导层的同轴双波导结构光纤。该光纤不仅具有通常的光纤芯而且在光纤的外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构。
尽管Airy光束的研究和应用越来越广泛，但并未涉及利用微结构光纤端出射场生成Airy光束。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可在光纤端生成准Airy光束的同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤。
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(波导芯的空间排布满足或近似满足于Airy函数)后，波导芯之间的光耦合可实现相位调制，通过调节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，不管是具有同心圆环波导分布的Airy光纤(如图3、4和5)还是具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤(如图6、7和8)的出射光场，它们都继承了Airy光束的部分特性，其无衍射特性得到了加强，但自愈特性和自由加速特性受到了抑制。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、同心圆环或部分同心圆环波导分布的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，其无衍射传输距离可比拟于Airy光束，甚至优于Airy光束。
2、传统的Airy光束通过几何光路实现，而同心圆环或部分同心圆环波导分布的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、由于同心圆环或部分同心圆环波导分布的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准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是具有同心圆环波导分布的Airy光纤示意图；
图4是具有同心圆环波导分布的Airy光纤的横截面示意图；
图5是具有同心圆环波导分布的Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；
图6是具有两个对称排列的1/4同心圆环波导分布的Airy光纤示意图；；
图7是具有两个对称排列的1/4同心圆环波导分布的Airy光纤的横截面示意图；
图8是具有两个对称排列的1/4同心圆环波导分布的Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；
图9是具有一个1/2同心圆环波导分布的Airy光纤横截面示意图(a)和该光纤端出射光场在空间中的传输示意图(b)；
图10是具有两个相互垂直的1/8同心圆环波导分布的Airy光纤横截面示意图(a)和该光纤端出射光场在空间中的传输示意图(b)；
图11是具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的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12是具有同心圆环波导分布的光纤预制棒示意图；
图13是带光源尾纤的具有同心圆环波导分布的Airy光纤示意图；
图14是具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤的制备过程示意图；
图15是带光源尾纤的具有部分同心圆环波导分布的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5，本发明第一种实施方式具有同心圆环波导分布的Airy光纤(包含同心圆环分布的波导芯1和包层2)。向一段该光纤的一端输入高斯光3，通过波导芯阵列1的光耦合，当这段光纤的另一端出射光场的强度刚好满足(或近似满足)对应的Airy函数4时，在该Airy光纤出射端将形成准Airy光束，它将继承Airy光束的无衍射传输特性并使该特性得到了加强(如图5)。
结合图6-图10，本发明第二种实施方式具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤(包含部分同心圆环分布的波导芯1和包层2)。对于部分同心圆环波导芯轴对称分布的Airy光纤，其特性和具有同心圆环波导分布的Airy光纤类似(如图8)；而对于一些部分同心圆环波导芯非轴对称分布的Airy光纤，不但具有同心圆环波导分布的Airy光纤的性质，还具有自由加速的特性(如图9和图10)。
Airy光纤部分波导芯的排布方式对其无衍射传输距离影响非常巨大。图11表示具有1/2同心圆环波导分布的Airy光纤7、具有两个轴对称排列的1/4同心圆环波导分布的Airy光纤8、具有两个轴对称排列的1/8同心圆环波导分布的Airy光纤9、具有两种相互垂直的1/8同心圆环波导分布的Airy光纤10的纤端输出光场和Airy光束11的传输光场的归一化光强随传输距离的变化关系。从图中可以看出，不管是具有同心圆环波导分布的Airy光纤还是具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤的无衍射特性都非常出色，甚至要远优于Airy光束(如曲线11)，这使得具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤在光束生成、微利操纵和传感等上可能得到广泛的应用。
实施例1：
1、光纤制备：取一高纯石英套管，然后置于气相沉积机上(采用MCVD制备工艺)，通过控制通入的气体及其通入的时间，在石英套管内壁上沉积多层厚度不同的较高折射率的波导层和较低折射率的包层，当满足所需的波导层后，气相沉积完成，然后对整个套管进行缩棒，形成折射率分布为12的预制棒13(如图12所示)，最后，制得的预制棒在光学拉丝塔上拉出所需的具有同心圆环波导分布的Airy光纤；
2、光源耦合：取一段步骤1制备的具有同心圆环波导分布的Airy光纤14，进行涂覆层祛除、切割，并与带光源尾纤的单模光纤15对准、焊接，如图13；
3、封装保护：将内径大于标准光纤或Airy光纤的石英管调至图焊点16处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护；
4、Airy光束生成：向单模光纤15输入激光17，观测具有同心圆环波导分布的Airy光纤出射端的光场强度是否满足对应的Airy分布4，若不满足，则切割或研磨光纤输出端，直到出射端光场与Airy光束的相似度最大为止。
实施例2：
1、光纤制备：采用实施例1步骤1中的方法制备一个光纤预制棒13，再取一个与该预制棒尺寸相同的石英棒18，然后对它们同时进行切割，把切割之后的19、20、21、22四部分组合(根据需要可选择不同的切割的份数和组合部分)在一起并套入石英套管23，这样就形成一个新的光纤预制棒24，最后，把制得的光纤预制棒24在光学拉丝塔上拉出所需的具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤25(如图14)；
2、光源耦合：取一段步骤1制备的具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤25，进行涂覆层祛除、切割，并与带光源尾纤的单模光纤15对准、焊接，如图15；
3、封装保护：将内径大于标准光纤或Airy光纤的石英管调至图焊点26处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护；
4、Airy光束生成：向单模光纤15输入激光17，观测具有同心圆环波导分布的Airy光纤出射端的光场强度是否满足对应的Airy分布4，若不满足，则切割或研磨光纤输出端，直到出射端光场与Airy光束的相似度最大为止。
Claims (6)
1.一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，由包层，一个实心圆形和多个同心圆环波导芯，或者一个或多个部分实心圆形和多个部分同心圆环波导芯构成，其特征是：所述的Airy光纤波导芯之间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，通过波导芯之间的光耦合，光纤另一端的出射光束满足或近似满足于Airy光束。
2.根据权利要求1所述的一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的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、每个波导芯的芯径(厚度)和波导芯之间的间距。
3.根据权利要求1所述的一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，其特征是：所述的一个实心圆形和多个同心圆环波导芯的排列分布为：以一个实心圆形的波导芯为中心，周围包围着多个同心圆环波导芯。
4.根据权利要求1所述的一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，其特征是：所述的一个或多个部分实心圆形和多个部分同心圆环波导芯的排列分布为：以每个部分实心圆形波导芯的圆心为中心，周围包围着与这部分实心圆形波导芯的圆心角相同的多个部分同心圆环波导芯。
5.根据权利要求1-4任何一项所述的一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，其特征是：所述的波导芯之间存在一定厚度的包层。
6.根据权利要求1-4任何一项所述的一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤，其特征是：所述的波导芯折射率大于包层折射率。
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