CN103969738A - 基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法，该光纤由具有偏心孔的光纤预制棒旋转拉制而成，因此该光纤存在单螺旋空气孔，这种不对称的光纤结构可在光纤纤芯中产生螺旋分布的不对称应力双折射，从而导致传导光波形成径向相位差，从而获得轨道角动量，产生具有涡旋相位光场的传输，实现类涡旋光传输模式。该光纤在整体上具有结构简单、操作灵活、系统稳定和抗干扰能力强等特点，可以用于涡旋光束生成、微粒操控、传感应用等。

Description

基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法。

(二)背景技术

涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量(Physical Review A，1992，45(11)：8185-8189)，因此近年来被广泛研究，并在通信、光镊、原子操纵和显微技术中得到了极大应用。生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(OpticsExpress，2008，16(21)：16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光耦合，这样就带来许多不便。

而基于光纤的涡旋光生成器则在远程交互和紧密型涡旋光器件的实现上更具优势。研究者们使用声学长周期光栅(Physical Review Letters，2006，96(4)：43604)或者利用在多模光纤中的诱导压力(Applied Optics，1998，37(3)：469-472)实现了涡旋光传输模式。然而在光纤中模式耦合会破坏轨道角动量模式，从而导致多路干涉。在绝大多数多模光纤中，TE/TM模式和需要的HE₂₁模式是共存的，这样它们经过模式耦合会在输出端生成线性偏振模式(LP模式)，LP模式并不是光纤真正的本征模式，它也不能携带轨道角动量。因此，文献(Optics Letters，2012，37(13)：2451-2453)报道了利用微弯光栅来消弱高阶LP₁₁模式的生成，进而把输入模式转化为所需要的HE₂₁模式，最终生成高纯度的涡旋光束。

美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)提出了一种纤芯折射率仅随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤即可生成涡旋光束。虽然该涡旋光束生成器结构极为简单，但是制备这种光纤却非常困难，因此本发明提出了一种新型螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤，这种涡旋光纤制备比较容易，可产生类涡旋光束。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可生成涡旋光传输模式的基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量，为了得到轨道角动量，光纤必须携带更高阶模式，例如，相移为±π/2的两个HE₂₁模式的线性组合即可实现轨道角动量模式。由于本发明的螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤单螺旋空气孔，这种不对称的光纤结构就可产生不对称的应力双折射，并且由于空气孔呈螺旋状，因此在光纤纤芯纵向，这种不对称应力双折射呈现螺旋分布，因而当光波输入到该光纤后，会形成径向相位差，从而使传导光波获得轨道角动量，形成涡旋光传输模式，产生一种类涡旋光束。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤的制备简单，可直接由打孔之后的光纤预制棒旋转拉制而成。

2、螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤的单螺旋空气孔分布函数在制备过程中是可控的，最终可实现对生成类涡旋光束特征的控制。

3、螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤的空间柔韧性极好，因此可以选择在任意合适的位置和方向上输出类涡旋光束，便于在微粒操控和传感上的应用。

(四)附图说明

图1是螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(偏孔位于纤芯一侧)示意图；

图2是图1所示光纤的横截面示意图；

图3是图1所示光纤的应力双折射(a)三维和(b)二维示意图；

图4是图1所示光纤的光强传输示意图；

图5是图1所示光纤在(a)Z＝1000μm、(b)Z＝1100μm、(c)Z＝1200μm和(d)Z＝1300μm横截面处的相位分布图；

图6是带有芯的光纤预制棒示意图；

图7是打孔之后的带芯光纤预制棒示意图；

图8是螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(偏孔位于纤芯一侧)的制备示意图；

图9是螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(纤芯部分融嵌于偏孔内壁的包层中)示意图；

图10是图9所示光纤的横截面示意图；

图11是打孔之后的包层预制棒示意图；

图12是螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(纤芯部分融嵌于偏孔内壁的包层中)的制备示意图

图13是带光源的尾纤与螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(偏孔位于纤芯一侧)的连接示意图。

图14是带光源的尾纤与螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤(纤芯部分融嵌于偏孔内壁的包层中)的连接示意图。

(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1-图5，本发明的第一种实施方式具有一段螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤，该光纤包括包层1、纤芯2和单螺旋空气孔3，其中纤芯2位于光纤中央，单螺旋空气孔3位于纤芯的一侧。由于单螺旋空气孔3的存在，对图2所示的光纤横截面进行应力分析就可以得到如图3所示的应力双折射分布(在图3(a)中，柱状栅栏所包围的区域表示纤芯区域，Z轴表示应力双折射大小N_x-N_y，在图3(b)中，灰度大小则表示应力双折射大小)，由于纤芯存在这种非对称的应力双折射分布，所以当向该光纤的一端输入光源4时，该光纤即可生成涡旋光传输模式，其光强传输如图4所示，在Z＝1000μm、1100μm、1200μm和1300μm横截面处的相位分布如图5所示，由此可见，在该光纤中，传导光波具有涡旋相位，它是一种类涡旋光束。

该光纤的制备过程可分为以下几个步骤(如图6-图8)：

步骤1：向带有芯5的光纤预制棒6(如图6)打入一偏心空气孔7，形成了新的光纤预制棒8(如图7)；

步骤2：把光纤预制棒8放置在拉丝塔上，在垂直牵引力9和扭转力10的共同作用下进行扭转拉丝，经过加热以及相应后处理11后即制备成螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤12(偏孔位于纤芯一侧)。

结合图9-图10，本发明的第二种实施方式具有一段螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤，该光纤包括包层1、纤芯2和单螺旋空气孔3，其中纤芯2位于光纤的中央，并且部分融嵌进入单螺旋空气孔3内壁的包层1中(甚至悬挂在单螺旋空气孔内壁上)，同第一种实施方式类似，由于纤芯结构不对称而引起纤芯内部非对称应力双折射，从而当向纤芯2输入光源4时，该光纤也可生成涡旋光传输模式。

第二种实施方式的光纤制备包括以下几个步骤(如图11和图12)

步骤1：如图11，在包层预制棒13中打入一偏心孔14；

步骤2：通过偏心孔14，向包层预制棒13融嵌入一纤芯预制棒15，使之处于包层预制棒的中心，这样就形成了光纤预制棒16，如图12；

步骤3：把光纤预制棒16放置在拉丝塔上，在垂直牵引力9和扭转力10的共同作用下进行扭转拉丝，经过加热以及相应后处理11后即制备成螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤17(纤芯部分融嵌于偏孔内壁的包层中)。

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螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤12；

2、光源耦合：将制备好的螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤12进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤18对准、焊接，如图13所示；

3、涡旋光束生成：输入激光19后就会在螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤12中实现涡旋光模式传输，并可在光纤端输出类涡旋光束。

实施例2：

1、光纤制备：按照第二种实施方式的光纤制备方法制备出螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤17；

2、光源耦合：将制备好的螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤17进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤18对准、焊接，如图14所示；

3、涡旋光束生成：输入激光19后就会在螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤17中实现涡旋光模式传输，并可在光纤端输出类涡旋光束。

Claims (5)

1.一种基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤，其特征是：所述的螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤包括纤芯、单螺旋空气孔和包层，其纤芯处于包层中心位置，空气孔位于纤芯与包层外壁之间，并且空气孔围绕光纤中轴线呈螺旋状分布，这种不对称的光纤结构可在光纤纤芯中产生不对称的应力双折射，由于单螺旋空气孔的存在，导致这种不对称应力双折射在光纤纤芯纵向也呈现螺旋分布，因而当光波输入到该光纤后，会形成径向相位差，从而使传导光波获得轨道角动量，产生涡旋相位传输，实现类涡旋光传输模式。

2.一种基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤的制备方法，其制备步骤包括两种：第一种制备步骤是：(1)向带有芯的光纤预制棒打一偏心孔，形成了新的光纤预制棒；(2)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行扭转拉丝，形成螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤；第二种制备步骤是：(1)在包层预制棒中打一偏心孔，并融嵌入一纤芯预制棒，使之处于包层预制棒的中心，这样就形成了光纤预制棒；(2)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行扭转拉丝，形成螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单螺旋空气孔中心距纤芯中心的距离D满足如下关系：R_c-R_h＜D≤R_c+2R_h，其中R_c表示纤芯半径，R_h表示空气孔半径。

4.根据权利要求1-3任何一项所述的基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单螺旋空气孔的螺距H满足如下关系：H＞2π(β₁-β₂)^-1，其中β₁表示纤芯基模的传输常数，β₂表示包层基模的传输常数。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的基于螺旋偏孔融嵌芯涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单螺旋空气孔的周期分布特征是：恒定周期或变周期。