CN104795720B - 一种基于光学微腔调控的光束转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学微腔调控的光束转换装置。现有技术结构复杂、可调控性不强、功能不易扩充。本发明基于光学微腔和空心光子晶体光纤相互耦合原理，将空心光子晶体光纤的内部空心处设置有光增益介质，两端设置有光学反射元件构成回返腔，空心光子晶体光纤含有一段近场光外露区域；光学微腔设置在近场光外露区域；入射光场经过空心光子晶体光纤一端入射，由于光增益介质、空心光子晶体光纤、光学微腔构对入射光场的综合作用，实现光束转化，输出光束从空心光子晶体光纤另一端出射。本发明具有系统简单、便于实现、集成度高、易于微型化、多光学参数可调控、可调控性强、调节灵活性高、功能易于扩充等特点。

Description

一种基于光学微腔调控的光束转换装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光束转换装置，特别是一种基于光学微腔调控的光束转换装置，主要应用于物质分析、光学加工、光学显微、光学操控、光电检测、信息通讯、环境监测、过程控制等领域中的光束转换。

背景技术

光束转换需求广泛存在于物质分析、光学加工、光学显微、光学操控、光电检测、信息通讯、环境监测、过程控制等领域中，例如，在光学加工领域，可以通过改变入射光束的波前相位和偏振态实现光束转换，得到光强点阵列，进行多点三维加工功能；在光电检测领域，可以通过倍频晶体改变光频率实现特定频率光谱检测分析。在先技术中，存在一种光束转换方法，参见《Nature Photonics》期刊上的2008年第2卷501-505页的论文《Creation ofa needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics》，本方法存在一定优点，但仍然存在本质不足，不能实现光频率改变具有系统复杂，并且集成度低、难于微型化、不便于实现、可调控性不强、模块化程度不高。在先技术中还存在一种光场分布转换装置，参见发明专利《一种矢量圆环形光束整形装置》，专利号为ZL200810122104.4，授权公告日：2010年09年29日，此发明虽然具有一定的优点，但是存在本质不足：利用圆锥面反射原理和偏振器件对入射光的偏振分布进行调控，系统结构复杂，调节灵活性差，功能不易扩充，根本上无法实现相位调节，同样无法实现光场频率调控。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种光学微腔调控的光束转换装置，具有系统简单、便于实现、集成度高、易于微型化、多光学参数可调控、可调控性强、调节灵活性高、功能易于扩充等特点。

本发明的基本构思是：基于光学微腔和空心光子晶体光纤相互耦合原理，将空心光子晶体光纤的内部空心处设置有光增益介质，两端设置有光学反射元件构成回返腔，空心光子晶体光纤含有一段近场光外露区域；光学微腔设置在近场光外露区域，与和空心光子晶体光纤相互光场耦合效应；入射光场经过空心光子晶体光纤一端入射，由于光增益介质、空心光子晶体光纤、光学微腔构对入射光场的综合作用，实现光束转化，输出光束从空心光子晶体光纤另一端出射，调整光学微腔构位置和特性实现输出光束调控。

本发明一种基于光学微腔调控的光束转换装置，包括第一光学反射元件、空心光子晶体光纤、第二光学反射元件、光学微腔和光增益介质，空心光子晶体光纤的两端分别设置有第一光学反射元件和第二光学反射元件；空心光子晶体光纤含有一段近场光外露区域，光学微腔设置在近场光外露区域，光学微腔与和空心光子晶体光纤存在相互光场耦合效应；光增益介质设置在空心光子晶体光纤的内部空心处。

所述的第一光学反射元件和第二光学反射元件为反射镜或反射膜。

所述的第一光学反射元件在入射光束波长上呈现高通过率特性，通过率大于80%；

所述的第二光学反射元件在入射光束波长上呈现高反射率特性，通过率大于80%；

所述的空心光子晶体光纤的近场光外露区域可以通过光纤拉锥技术或化学处理技术制备。

所述的光增益介质为颜料增益介质或光增益纳米颗粒。

所述的光学微腔为光学微球、光学微盘、光学微环和光学微纳结构阵列中的一种。

本发明一种基于光学微腔调控的光束转换装置的工作过程为：入射光场经过空心光子晶体光纤一端入射，通过第一光学反射元件耦合入射到空心光子晶体光纤中，在空心光子晶体光纤中传播，与光增益介质发生作用；第一光学反射元件和第二光学反射元件构成回返腔，入射光束受到空心光子晶体光纤和回返腔作用，在空心光子晶体光纤内传播；经过空心光子晶体光纤的近场光外露区域时，通过近场光耦合作用，与光学微腔发生作用，在光增益介质、空心光子晶体光纤、光学微腔构对入射光场的综合作用下，实现光束转化，输出光束从空心光子晶体光纤另一端出射，调整光学微腔构位置和特性实现输出光束调控。

本发明中光学微腔技术、空心光子晶体光纤技术、光纤加工处理技术、增益介质材料技术等均为成熟技术。本发明的发明点在于基于光学微腔和空心光子晶体光纤相互耦合原理，利用光学微腔设置在近场光外露区域，与和空心光子晶体光纤相互光场耦合效应来调控光束转换特性，给出一个系统简单、便于实现、集成度高、易于微型化、多光学参数可调控、可调控性强、调节灵活性高、功能易于扩充的基于光学微腔调控的光束转换装置。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术中的光场调控装置系统复杂、集成度低、难于微型化，不便于实现、可调控性不强、模块化程度不高、功能不易扩充、调节灵活性差。本发明基于光学微腔和空心光子晶体光纤相互耦合原理，充分利用了空心光子晶体光纤中光场传播特性和光学微腔技术，空心光子晶体光纤和光学微腔的灵活可控性，以及易于微型化的特色，使得本发明具有系统简单、集成度高、易于微型化，便于实现等特点；

2）本发明中的原理中不限定某一种光场参数的调控，光学微腔设置在近场光外露区域，与和空心光子晶体光纤相互光场耦合效应；入射光场经过空心光子晶体光纤一端入射，由于光增益介质、空心光子晶体光纤、光学微腔构对入射光场的综合作用，实现光束转化，调整光学微腔构位置和特性实现输出光束调控，从原理上是对光场总体的特性进行调控，不受限于具体某几种参数，是一种光场整体调控原理和技术，可以实现多光学参数调控。

3）本发明综合利用了空心光子晶体光纤传播特性、近场光耦合特性、增益介质激发特性、谐振腔调控特性和光学微腔技术，使得光束转换中的可调控性显著增强强、调节灵活性高，并且功能易于扩充。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图；

图2为本发明的一种实施例中空心光子晶体光纤横截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于光学微腔调控的光束转换装置包括：第一光学反射元件2、空心光子晶体光纤3、第二光学反射元件6、光学微腔4、光增益介质5，空心光子晶体光纤3的两端分别设置有第一光学反射元件2和第二光学反射元件6；空心光子晶体光纤3含有一段近场光外露区域301，光学微腔4设置在近场光外露区域301，与和空心光子晶体光纤3存在相互光场耦合效应；光增益介质5设置在空心光子晶体光纤3的内部空心处，如图2所示。

本实施例中入射光为YAG激光器出射的波长为532纳米的高斯聚焦光束，空心光子晶体光纤3的两个为平面，空心光子晶体光纤3的近场光外露区域301通过化学方法加工制备的，第一光学反射元件2和第二光学反射元件6均为平面反射镜，光增益介质5采用罗丹明6G分子复合颗粒构成的溶液，光学微腔4采用光学微球结构。

本实施例工作过程为：入射光场1经过空心光子晶体光纤3一端入射，本实施例中通过第一光学反射元件2耦合入射到空心光子晶体光纤3中，在空心光子晶体光纤3中传播，与光增益介质5发生作用；第一光学反射元件2和第二光学反射元件6构成回返腔，入射光束受到空心光子晶体光纤3和回返腔作用，在空心光子晶体光纤3内传播；经过空心光子晶体光纤3的近场光外露区域301时，通过近场光耦合作用，与光学微腔4发生作用，在光增益介质、空心光子晶体光纤、光学微腔构对入射光场的综合作用下，实现光束转化，输出光束7从空心光子晶体光纤3另一端出射，本实施例中从第二光学反射元件6出射，调整光学微腔构位置和特性实现输出光束调控，本实施例实现了入射光场横模的灵活转换控制。本发明具有系统简单、便于实现、集成度高、易于微型化、多光学参数可调控、可调控性强、调节灵活性高、功能易于扩充等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于包括：第一光学反射元件、空心光子晶体光纤、第二光学反射元件、光学微腔、光增益介质，空心光子晶体光纤的两端分别设置有第一光学反射元件和第二光学反射元件；空心光子晶体光纤含有一段近场光外露区域，光学微腔设置在近场光外露区域，与空心光子晶体光纤存在相互光场耦合效应；光增益介质设置在空心光子晶体光纤的内部空心处。

2.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的第一光学反射元件和第二光学反射元件为反射镜或反射膜的一种。

3.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的第一光学反射元件在入射光束波长上呈现高通过率特性，通过率大于80％。

4.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的第二光学反射元件在入射光束波长上呈现高反射率特性，反射率大于80％。

5.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的空心光子晶体光纤的近场光外露区域可以通过光纤拉锥技术或化学处理技术制备。

6.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的光增益介质为颜料增益介质或光增益纳米颗粒。

7.如权利要求1所述的一种基于光学微腔调控的光束转换装置，其特征在于：所述的光学微腔为光学微球、光学微盘、光学微环和光学微纳结构阵列中的一种。