CN103440895A - 利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法 - Google Patents

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高玮
胡晓博
孙培敬
刘胜男
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Abstract

利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法，涉及光学领域。本发明是为了解决现有利用多模石英光纤产生的涡旋光束不稳定、受外界应力影响严重和装置复杂的问题。本发明所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法，所述装置包括激光器，偏振片，耦合透镜，液芯光纤和准直透镜。所述方法：激光器发出的激光入射至偏振片，经偏振片的偏振作用形成线偏振激光再入射至耦合透镜，耦合透镜输出的线偏振激光以入射角θ（0°～5°）入射至液芯光纤中，经液芯光纤传输后输出涡旋光束，所述涡旋光束入射至准直透镜，经准直作用输出平行涡旋光束。在微观粒子的光学囚禁与操控、激光消融加工、自由空间光通信、非线性频率转换和强场电离等领域有重大应用前景。

Description

利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法
技术领域
本发明涉及光学领域。
背景技术
涡旋光束是具有螺旋型相位分布，在传播方向上中心强度为零的环状空心光束，其光场分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每个光子携带l的轨道角动量，l称为拓扑电荷数。涡旋光束具有轨道角动量，桶状强度分布和无加热效应等新颖独特的物理性质，在微观粒子的光学囚禁与操控、激光消融加工、自由空间光通信、非线性频率转换和强场电离等领域有重大应用前景。
获得涡旋光束的传统方法是利用螺旋相位板、计算全息光栅和空间光调制器等相位元件产生，然而这些元件的损伤阈值较低、损耗过大，且成本较高。为此，近年来人们提出了一些新的产生涡旋光束的方法，主要有两类：一种是从激光谐振腔中直接产生（Y.G.Zhao,Z.P.Wang,H.H.Yu,S.D.Zhuang,H.J.Xu,J.Xu,X.G.Xu,J.Y.Wang.Direct generation ofoptical vortex pulses.Appl.Phys.Lett.,2012,101(3):031113），该方法产生装置过于复杂；另一种是利用多模石英光纤或光子晶体光纤产生，此类方法是目前该领域的研究热点（N.K.Viswanathan,V.V.G.K.Inavalli.Generation of optical vector beams using a two-mode fiber.Opt.Lett.,2009,34(8):1189；V.V.G.K.Inavalli,N.K.Viswanathan.Switchable vector vortex beamgeneration using an optical fiber.Opt.Commun.,2010,283:861），其优势表现为：①不需要相位元件，成本低；②由于光纤中存在内在的非均匀偏振（径向、角向和混合偏振）传输模式，导致涡旋光束的偏振状态可控；③产生的矢量涡旋光束可在光纤内进行保偏远程传输。然而，该方法也存在难以克服的缺陷，即涡旋光束不稳定，对光纤弯曲特别敏感，极易受到外界的应力而变形，因此要求光纤必须处于水平松弛状态，甚至要装到特制的管子中，否则在弯曲和扭转石英光纤时纤芯和包层折射率发生变化，导致涡旋光束质量下降、偏振模式串扰和损耗增加，这显然会给应用带来不便。
发明内容
本发明是为了解决现有利用多模石英光纤产生的涡旋光束不稳定、受光纤弯曲影响严重和装置复杂的问题，现提供一种利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法。
本发明所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，它包括激光器1，偏振片2，耦合透镜3，液芯光纤4和准直透镜5；
激光器1发出的激光经偏振片2形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜3，耦合透镜3输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤4中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤4输出的涡旋光束入射至准直透镜5，经准直透镜5准直作用产生平行涡旋光束。
激光器1的输出激光的波长范围为近紫外光到红外光之间。
耦合透镜3的焦距选取4mm～20mm之间。
液芯光纤4的长度选取20cm～100cm之间；液芯光纤4的芯径选取2μm～10μm之间；液芯光纤4内可注入的芯液材料的折射率选取1.45～2之间。
利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，它还包括五维调整架，五维调整架用于固定液芯光纤4，并能够通过转动和平移调整架改变激光的入射角度θ。
准直透镜5的焦距介于4mm～50mm之间。
本发明所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的方法，采用激光器1发出的激光入射至偏振片2，经所述偏振片2的偏振作用形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜3，所述耦合透镜3输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤4中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤4传输后输出涡旋光束，所述输出的涡旋光束入射至准直透镜5，经所述准直透镜5的准直作用输出平行涡旋光束。
采用线偏振TEM00模式的激光。
本发明所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置及方法，其优点如下：
1.该方法形成的涡旋光束稳定，不受光纤弯曲的影响；
2.该装置结构简单、操作方便。
附图说明
图1为利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置的结构示意图。
图2为液芯光纤产生的涡旋光光斑束图。
图3为液芯光纤产生的涡旋光束与平面波的干涉图样。
图4为光纤的弯曲示意图。
图5为液芯光纤弯曲直径D=0cm时，液芯光纤产生的涡旋光束光斑图。
图6为液芯光纤弯曲直径D=12cm时，液芯光纤产生的涡旋光束光斑图。
图7为液芯光纤弯曲直径D=15cm时，液芯光纤产生的涡旋光束光斑图。
图8为液芯光纤弯曲直径D=18cm时，液芯光纤产生的涡旋光束光斑图。
图9为石英光纤弯曲直径D=0cm时，石英光纤产生的涡旋光束光斑图。
图10为石英光纤弯曲直径D=12cm时，石英光纤产生的涡旋光束光斑图。
图11为石英光纤弯曲直径D=15cm时，石英光纤产生的涡旋光束光斑图。
图12为石英光纤弯曲直径D=18cm时，石英光纤产生的涡旋光束光斑图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，它包括激光器1，偏振片2，耦合透镜3，液芯光纤4和准直透镜5；
激光器1发出的激光经偏振片2形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜3，耦合透镜3输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤4中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤4输出的涡旋光束入射至准直透镜5，经准直透镜5准直作用产生平行涡旋光束。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置作进一步说明，本实施方式中，激光器1的输出激光的波长范围为近紫外光到红外光之间。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置作进一步说明，本实施方式中，耦合透镜3的焦距选取4mm～20mm之间。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置作进一步说明，本实施方式中，液芯光纤4的长度选取20cm～100cm之间；液芯光纤4的芯径选取2μm～10μm之间；液芯光纤4内可注入的芯液材料的折射率选取1.45～2之间。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括五维调整架，五维调整架用于固定液芯光纤4，并能够通过转动和平移调整架改变激光的入射角度θ。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置作进一步说明，本实施方式中，准直透镜5的焦距选取4mm～50mm之间。
具体实施方式七：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的方法，采用激光器1发出的激光入射至偏振片2，经所述偏振片2的偏振作用形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜3，所述耦合透镜3输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤4中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤4传输后输出涡旋光束，所述输出的涡旋光束入射至准直透镜5，经所述准直透镜5的准直作用输出平行涡旋光束。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的方法作进一步说明，本实施方式中，采用线偏振TEM00模式的激光。
具体实施方式九：下面结合图1至图12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选用波长为632.8nm的He-Ne激光器，激光器1发出的激光经偏振片2形成线偏振光，经焦距为7mm的耦合透镜3，以θ=2°入射至液芯光纤4中，
选取CS2作为液芯光纤4中的芯液材料，其折射率为1.63，液芯光纤4的长度和芯径分别为75cm和10μm，用焦距为15mm的准直透镜5形成平行的涡旋光束，通过CCD测量获得，如图2所示。
为验证液芯光纤4的输出光束是否具有涡旋特性，引入一束平面光波和输出光束进行干涉，得到如图3所示的干涉图样，从图中可以看出，在环状光束中心的干涉条纹出现位错，即中心的一束亮条纹分叉，成为两束亮条纹（如图中圈出的部分），这证明了输出光束为涡旋光束，其拓扑电荷数l=1。
对液芯光纤4产生的涡旋光束和多模石英光纤产生的涡旋光束的稳定性进行比较。如图4所示弯曲光纤，弯曲直径为D。图5～图8分别为弯曲直径D=0cm、D=12cm、15cm和18cm时对应的液芯光纤产生的涡旋光束，图9～图12分别为弯曲直径D=0cm、D=12cm、15cm和18cm时对应的多模石英光纤产生的涡旋光束。经过比较发现，利用液芯光纤所获得的涡旋光束不受光纤弯曲的影响，而石英光纤的对弯曲非常敏感。

Claims (8)

1.利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：它包括激光器（1）、偏振片（2）、耦合透镜（3）、液芯光纤（4）和准直透镜（5）；
激光器（1）发出的激光经偏振片（2）形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜（3），耦合透镜（3）输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤（4）中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤（4）输出的涡旋光束入射至准直透镜（5），经准直透镜（5）透射产生平行涡旋光束。
2.根据权利要求1所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：激光器（1）的输出激光的波长范围为近紫外光到红外光之间。
3.根据权利要求1或2所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：耦合透镜（3）的焦距选取4mm～20mm之间。
4.根据权利要求3所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：液芯光纤（4）的长度选取20cm～100cm之间；液芯光纤（4）的芯径选取2μm～10μm之间；液芯光纤（4）内注入的芯液材料的折射率选取1.45～2之间。
5.根据权利要求1或4所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：它还包括五维调整架，五维调整架用于固定液芯光纤（4），并能够通过转动和平移调整架改变激光的入射角度θ。
6.根据权利要求1所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的装置，其特征在于：准直透镜（5）的焦距介于4mm～50mm之间。
7.利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的方法，其特征在于：采用激光器（1）发出的激光入射至偏振片（2），经所述偏振片（2）的偏振作用形成线偏振激光，所述线偏振激光入射至耦合透镜（3），所述耦合透镜（3）输出的线偏振激光以入射角θ入射至液芯光纤（4）中，入射角度θ的取值范围是0°～5°，经液芯光纤（4）传输后输出涡旋光束，所述输出的涡旋光束入射至准直透镜（5），经所述准直透镜（5）的准直作用输出平行涡旋光束。
8.根据权利要求7所述的利用液芯光纤产生稳定涡旋光束的方法，其特征在于：采用线偏振TEM00模式的激光。
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