CN104181637A - 一种全光纤Bessel光束生成器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种全光纤Bessel光束生成器，该生成器由一段标准单芯光纤、环形芯光纤和渐变折射率光纤组成。当向单芯光纤中输入光波后，传输光波会耦合到环形芯光纤中形成环形光场，然后环形光场经过渐变折射率光纤的等效傅里叶光学变换在其术端形成Bessel光束。由于本发明的光束生成器采用了全光纤系统，并用渐变折射率光纤实现了透镜的功能，因此相比于传统的几何光学系统，整个生成器更易实现对准并更加稳定，此外还具有结构微小、操作灵活和抗干扰能力强等特点。该光束生成器可应用于光束生成、微粒操纵和传感等领域。

Description

一种全光纤Bessel光束生成器

(一)技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种全光纤Bessel光束生成器，可应用于光束生成、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Bessel光束。Durnin于1987年首次提出Bessel光束的数学模型。我们知道，亥姆霍兹方程的Whitaker解存在Bessel形式的特解，并与传输方向无关。然而，现实中无法实现这种无限能量的Bessel光束，因此，Durnin及其同事(J.Durnin，J.Opt.Soc.Am.A，1987，4(4)：651-654.)在实验上得到了一种有限能量的准Bessel光束，该光束在一定的传输距离内具有Bessel光束的特性，既无衍射和自我重组特性。基于这两种特性，Bessel光束被应用于多种领域，其中包括光捕获与操纵、光束缚、非线性光学、光相干层析扫描、微加工、干涉测量和光刻等。

生成Bessel光束的方法有很多种，其中最常见的一种是，平面波通过二次曲面或圆锥曲面产生干涉来生成Bessel光束，这种方法通常是在几何光学器件的焦点处放置一环形孔来实现，这种方法在美国专利(US20110304723和US5336875)和中国专利(CN201110142422.9和CN201110390198.5)中都有提及。近年来，研究者们利用光纤结构来生成了Bessel光束，例如长周期光栅光纤(美国专利US20090257711)、中空光纤(J.K.Kim，J.Kim，Y.Jung et al.，Opt.Lett.，2009，34(19)：2973-2975)、多模光纤(X.Zhu，A.Schülzgen，L.Li et al.，Appl.Phys.Lett.，2009，94201102.)等。虽然目前存在许多基于光纤结构的Bessel光束生成器，但大部分都需要添加光纤微透镜，而添加光纤微透镜就会带来制作难度高、不易对准或系统不稳定等缺点，因此，本发明采用了一段渐变折射率光纤来替代光纤微透镜，不但克服了以上缺点，同时还保留了全光纤光束生成器的特点。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤Bessel光束生成器，该生成器由一段标准单芯光纤、环形芯光纤和渐变折射率光纤组成。

本发明的目的是这样实现的：

传统基于透镜的Bessel光束是这样生成的：在透镜的焦平面上放置一环形狭缝，平面光通过环形狭缝形成环形光场，然后由透镜干涉形成Bessel光束。有鉴于此，本发明首先利用标准单芯光纤与环形芯光纤的拉锥耦合来生成环形光场。由于在渐变折射率光纤中光波传输路径呈正弦分布，因此可以利用一段渐变折射率光纤来实现透镜的傅里叶变换功能。基于渐变折射率光纤的这一特性，我们接着用一段渐变折射率光纤对之前在环形芯光纤端生成的环形光场进行等效傅里叶变换，最后在渐变折射率光纤端形成Bessel光束。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、采用了全光纤结构，解决了几何光路对准难的问题；

2、把整个光束生成系统集成于“一根”光纤中，具有系统稳定、结构微小、和操作灵活等特点；

3、相比于其他采用聚合物透镜的全光纤Bessel光束生成器，本发明采用渐变折射率光纤替代了聚合物透镜，从而极大提高了工作功率，解决了激光功率过高对聚合物透镜的损伤问题。

(四)附图说明

图1是具有内壁波导型毛细管光纤的全光纤Bessel光束生成器的光束生成示意图；

图2是标准单芯光纤(a)、内壁波导型毛细管光纤(b)、梯度折射率光纤(c)、壁中波导型毛细管光纤(d)和M型波导光纤(e)的横截面折射率分布示意图；

图3是环形光束在渐变折射率光纤传输以及在其纤端出射后的光场分布图；

图4是由全光纤Bessel光束生成器生成的Bessel光束的横截面光场分布图；

图5是具有壁中波导型毛细管光纤的全光纤Bessel光束生成器的光束生成示意图；

图6是具有M型波导光纤的全光纤Bessel光束生成器的光束生成示意图；

图7是标准单芯光纤与内壁波导型毛细管光纤的焊接示意图；

图8是标准单芯光纤与内壁波导型毛细管光纤的加热拉锥示意图；

图9是具有内壁波导型毛细管光纤的全光纤Bessel光束生成器示意图；

图10是具有壁中波导型毛细管光纤的全光纤Bessel光束生成器示意图；

图11是具有M型波导光纤的全光纤Bessel光束生成器示意图；

(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4，本发明第一种实施方式具有一段标准单芯光纤1(包含纤芯2和包层3，如图2(a))、内壁波导型毛细管光纤4(包含坏形纤芯5、包层3和中空毛细管6，如图2(b))和渐变折射率光纤7(包含渐变折射率纤芯8和包层3，如图2(c))，在单芯光纤纤芯2中的传输光9经过拉锥区10耦合到内壁波导型毛细管光纤环形芯5中形成环形光场11，然后环形光场11进入渐变折射率光纤的纤芯8中继续传输，从图3可以看出，环形光场11在渐变折射率光纤的纤芯8中的传输光线轨迹是正弦的，因此，渐变折射率光纤7起着透镜的功能，实现对环形光场11的等效傅里叶变换，最终在纤端生成Bessel光束12(如图4)。

结合图5和图6，本发明第二种实施方式与第一种实施方式类似，但此时的环形光场11将由壁中波导型毛细管光纤13(包含环形纤芯5、包层3和中空毛细管6，如图2(d))或M型波导光纤14(包含环形纤芯5和包层3，如图2(e))生成。

实施例1：

1、光纤连接1：取一段标准单芯光纤1和内壁波导型毛细管光纤4，首先对它们进行涂覆层祛除、切割和侧面抛磨，然后进行对准、焊接，如图7所示；

2、耦合连接：在图7所示的焊点15处加热至软化状态，然后进行拉锥；

3、封装保护：将内径大于标准单芯光纤或内壁波导型毛细管光纤的石英管调至图8所示的锥体耦合区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，这样就制备了标准单芯光纤与内壁波导型毛细管光纤的耦合连接部件；

4、光纤连接2：取一段渐变折射率光纤7，对其进行涂覆层祛除、切割和侧面抛磨，然后与步骤3制备好的部件的一端(内壁波导型毛细管光纤纤端)进行对准、焊接，最后在如图9所示的焊点17处进行封装保护(参照步骤3)，这样就完成了整个全光纤Bessel光束生成器的制备；

5、Bessel光束生成：输入激光18，在生成器输出端(渐变折射率光纤纤端)就可产生Bessel光束12，如图9所示。

实施例2：

同实施例1一样，将内壁波导型毛细管光纤4替换为壁中波导型毛细管光纤13或M型波导光纤14，如图10和11所示。

Claims (6)

1.一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：所述的生成器包括一段标准单芯光纤、环形芯光纤和渐变折射率光纤，环形芯光纤的一端与单芯光纤熔融拉锥连接，而另一端与渐变折射率光纤直接焊接，当向单芯光纤中输入光波后，传输光波会耦合到环形芯光纤中形成环形光场，然后环形光场经过渐变折射率光纤的等效傅里叶光学变换在其术端形成Bessel光束。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：所述的环形芯光纤的类型为：内壁波导型毛细管光纤、壁中波导型毛细管光纤或M型波导光纤。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：内壁波导型毛细管光纤的中央为毛细管，毛细管内壁处为环形波导纤芯。

4.根据权利要求2所述的一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：壁中波导型毛细管光纤的中央为毛细管，毛细管内壁与其外包层之间有环形波导纤芯。

5.根据权利要求2所述的一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：M型波导光纤具有环形波导纤芯，环形波导纤芯内部与外部只有包层。

6.根据权利要求1所述的一种全光纤Bessel光束生成器，其特征是：所述的环形芯光纤的波导纤芯的环形外直径小于渐变折射率光纤纤芯直径。