CN104898287A - 一种自加速类贝塞尔光束的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类贝塞尔光束。本发明涉及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。

Description

一种自加速类贝塞尔光束的产生装置

技术领域

本发明属于自加速光束领域，尤其涉及一种自加速类贝塞尔光束的产生装置。

背景技术

贝塞尔光束是自由空间标量波动方程沿z轴传播的一组特殊解。

1987年Durnin(Physical Review Letters，1499-1501，1987)首次提出了贝塞尔光束的数学模型，证明亥姆霍茨方程的Whitaker解存在贝塞尔形式的特解，并与传输方向无关。科研工作者可以从实验上得到具有有限能量的贝塞尔光束，即类贝塞尔光束，该光束在一定传输距离内具有无衍射特性和自我修复特性。在这以后，研究者们发现另一种波动方程在椭圆柱坐标中的解——马丢光束(Mathieu beams)也具有无衍射性。

早在1979年，Berry和Balazs(American Journal of Physics，264-267，1979)在量子力学领域做了一个重要的预言：薛定谔方程具有一个遵循艾里函数的波包解。理论研究发现，艾里波包是一维薛定谔方程唯一的无衍射解。然而，这一工作因其理论与现实的差异没有引起人们的关注。

直到2007年，中弗罗里达大学的Georgios Siviloglou(Optics Letters，979-981，2007)等人重新对Berry的工作进行了研究，第一次在实验室实现了携带有限能量艾里光束的产生。相比贝塞尔光束和马丢光束，艾里光束除了具有无衍射性和自愈性外，还具有自弯曲传输的奇异特性。

艾里光束的实现为构建自横向加速光束开辟了道路，极大地激发了研究者们探究新型自加速光束的兴趣。参照研究艾里光束的思路，一些学者在麦克斯韦方程或者不含时间的亥姆霍兹方程中发现了新型自加速解。比如：Segev(Physical review letters，Vol.16,2012)等发现了非傍轴情况下沿圆形轨道大角度加速的无衍射光束；张鹏(Physical review letters，Vol.19，2012)等发现非傍轴的Mathieu和Weber光束沿圆形、椭圆及抛物轨道大角度加速；此外，Christodoulides(Physical review letters，Vol.20，2012)等发现了可以沿椭圆和球面轨道传输的亥姆霍兹光束。最近，螺旋类贝塞尔光束和蛇形类贝塞尔光束也在空间光路中得以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、操作方便的，自加速类贝塞尔光束的产生装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类贝塞尔光束。

本发明一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，还可以包括：

1、接收光纤为双芯光纤、多芯光纤或者环形芯光纤中的一种。

2、场型变换光纤为大芯径阶跃折射率分布的多模光纤或者是中空毛细管光纤。

3、纤维调制光纤为梯度折射率光纤。

4、接收光纤为环形芯光纤，所述的场型变换光纤为中空毛细管光纤，则中空毛细管光纤输出的高阶类贝塞尔光束为：

$E_{\mathrm{out}}(r,L)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{J}_0\left(k_{z,\mathrm{fn}}r\right)\exp \left({\mathrm{i\β}}_{\mathrm{fn}}L\right)$

其中J₀(k_z,fnr)是贝塞尔函数，L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激发模式的数量，k_z,fn为横向波矢，r是径向坐标，β_fn是LP_0n模的传播常数，C_n是解系数：

$C_n=\frac{{\∫\∫}_S{E}_{\mathrm{in}}(r,\mathrm{\θ})\·{J_0}^{*}\left(k_{z,f_n}r\right)\mathrm{dS}}{{\∫\∫}_S{\left|J_0\left(k_{z,f_n}r\right)\right|}^2\mathrm{dS}}$

其中E_in(r,θ)为毛细管光纤端面的入射光场。

5、环形芯光纤，其包层折射率为1.4446，纤芯折射率为1.4517，芯层厚度为5um，芯层中

心线半径42.5um，光纤外径125um；

所述的中空毛细管光纤，其光纤折射率为1.4446，外径125um，内经50um；

所述的纤维调制光纤为梯度折射率光纤，其直径为220um，长度为200um。

有益效果：

本发明提出了一种基于光纤技术的新型自加速类贝塞尔光束及其产生装置。利用光纤产生非对称类贝塞尔光束，然后通过相位调制光纤对类贝塞尔光束进行相位调制，出射光束近似满足贝塞尔光束的光场分布，在保持主瓣不明显衍射的前提下，获得横向加速度，能够在自由空间中沿着弯曲的轨迹传播。新型自加速类贝塞尔光束具有横向自加速特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿着弯曲的轨道进行输运等操作，这种机制也能够很好地与光镊技术相结合，从而构建出新型的光纤光镊。

相位调制光纤3能够实现光束空间自聚焦，但相比于构成三维光镊的光束聚焦角度要求，这种自聚焦作用有可能达不到需要的角度。因此，改变自加速类贝塞尔光束的出射方向，在应用中具有实际意义。我们可以将相位调制光纤3的光纤纤端加工成圆锥台结构，从而进一步加强光束空间自聚焦。

本发明涉及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为新型自加速类贝塞尔光束产生装置。

图2为图1中AA′、BB′和CC′平面对应的剖面图，其中图2(a)为双芯光纤剖面图，图2(b)为环形芯光纤剖面图，均对应于AA′平面；图2(c)为毛细管光纤剖面图，对应于BB′平面；图2(d)为梯度折射率光纤剖面图，对应于CC′平面。

图3为梯度折射率光纤的折射率分布图。

图4为环形芯光纤与毛细管光纤连接示意图。

图5为环形芯光纤与毛细管光纤连接的出射光场仿真结果示意图。

图6为环形芯光纤—毛细管光纤—相位调制光纤模型出射光场仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种产生自加速类贝塞尔光束的实验装置，包括光源、接收光纤、场型变换光纤、相位调制光纤。光源发出的光由接收光纤接收；利用场型变换光纤中的传播特性将接收光纤中传输的光场转换为非对称的高阶类贝塞尔光束；用一段特殊设计的相位调制光纤对光场进行相位调制，调制后的光束横截面仍然接近贝塞尔函数，并在保持主瓣不明显衍射的前提下，获得横向加速度，能够在自由空间中沿着弯曲的轨迹传播。本发明涉及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。

接收光纤1可以是双芯光纤或者多芯光纤，也可以是环形芯光纤。场型变换光纤2可以是大芯径阶跃折射率分布的多模光纤，也可以是中空毛细管光纤。相位调制光纤3为梯度折射率光纤。为了使相位调制光纤3实现的光束空间自聚焦达到需要的角度，可以将相位调制光纤光出射端加工成圆锥台结构。

发明利用不同光纤的光传播特性，光源发出的光通过接收光纤传输进入场型变换光纤，利用场型变换光纤中的传播特性将接收光纤中传输的光场转换为非对称的高阶类贝塞尔光束，然后用一段特殊设计的相位调制光纤对光场进行相位调制，实现自加速类贝塞尔光束的产生。

如图1所示，一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，包括接收光纤1、场型变换光纤2、相位调制光纤3；光源发出的光通过接收光纤1传输进入场型变换光纤2，场型变换光纤2将接收光纤1中传输的光场转换为非对称的高阶类贝塞尔光束，高阶类贝塞尔光束通过相位调制光纤3后得到自加速类贝塞尔光束，从而可对处于其中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作。

一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的接收光纤1一般为双芯或轴对称的多芯光纤，能够构成空间自聚焦光束，特别是如果使用环形芯光纤，则能够构成中空的“瓶子”状光束，图2为图1中AA′、BB′和CC′平面对应的剖面图，其中图2(a)为双芯光纤剖面图，图2(b)为环形芯光纤剖面图，均对应于AA′平面，即接收光纤既可以是双芯光纤也可以是环形芯光纤；图2(c)为毛细管光纤剖面图，对应于BB′平面；图2(d)为梯度折射率光纤剖面图，对应于CC′平面。。

一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的场型变换光纤2中产生的类贝塞尔光束，具备了一定的无衍射性，但其传播方向仍然是直线，为使其传播轨迹具有横向自加速特性，需要对其相位进行非线性调制。

一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的相位调制光纤3能够实现光束空间自聚焦，但相比于构成三维光镊的光束聚焦角度要求，这种自聚焦作用有可能达不到需要的角度。因此，改变自加速类贝塞尔光束的出射方向，在应用中具有实际意义。我们可以将相位调制光纤3的光纤纤端加工成圆锥台结构，从而进一步加强光束空间自聚焦。

之上所述的新型自加速类贝塞尔光束产生装置的接收光纤一端与光源相连，光源发出的光经过新型自加速类贝塞尔光束产生装置后即产生自加速类贝塞尔光束。与贝塞尔光束不同，具有横向自加速的类贝塞尔光束将粒子沿着弯曲的、自愈的轨道进行输运，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置。

本发明基于如下原理：

在数学上，无芯光纤或者多模光纤的零阶径向模式(LP_0n)可以用贝塞尔函数来表示，因此高阶的LP_0n模式就可以看成是截短的贝塞尔光束。当环形芯光纤与毛细管光纤同轴熔接时，环形芯光纤中的模式被耦合到毛细管光纤内，在毛细管光纤中激励起LP_0n(n是径向标示)，该模式由贝塞尔函数J₀(k_z,fnr)来表示，其中横向波矢k＝2π/λ，n_f为毛细管光纤折射率，β_fn是LP_0n模的传播常数，r是径向坐标。由于每个LP_0n模式沿着波导独立地传播并拥有各自的传播常数，因此在毛细管光纤的输出端面为类贝塞尔光束的叠加。

$E_{\mathrm{out}}(r,L)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{J}_0\left(k_{z,\mathrm{fn}}r\right)\exp \left({\mathrm{i\β}}_{\mathrm{fn}}L\right)$

其中L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激发模式的数量，C_n是解系数：

$C_n=\frac{{\∫\∫}_S{E}_{\mathrm{in}}(r,\mathrm{\θ})\·{J_0}^{*}\left(k_{z,f_n}r\right)\mathrm{dS}}{{\∫\∫}_S{\left|J_0\left(k_{z,f_n}r\right)\right|}^2\mathrm{dS}}$

其中E_in(r,θ)为毛细管光纤端面的入射光场。

基于以上理论分析，我们用一段环形芯光纤与一段中空毛细管光纤对接，环形芯光纤包层折射率1.4446，纤芯折射率为1.4517，芯层厚度5，芯层中心线40μm，光纤外径125μm，长度1mm；毛细管光纤折射率1.4446，外径125μm，内径20μm。仿真中设置的光波波长为532nm。实验装置如图4所示，计算结果如图5所示。

从图中可以看出，环形芯光纤入射的光场在毛细管光纤中激励起的是轴对称的环形高阶贝塞尔模式，能量集中的光场主环位于整体环形场的内侧或者外侧。以上仿真结果表明，利用光纤产生贝塞尔光场具有可行性。

在光纤中产生的类贝塞尔光束，具备了一定的无衍射特性，但其传播方向仍然是直线，为使其传播轨迹具有横向自加速特性，需要对其相位进行非线性调制。我们在毛细管光纤另一端再增加一段相位调制光纤，计算结果如图6所示。从图中可以看出环形芯光纤—中空毛细管光纤—相位调制光纤生成中空的“瓶子”状光束。

实施案例：新型自加速类贝塞尔光束产生装置的制作。步骤如下：

1、首先取一段环形芯光纤，其包层折射率为1.4446，纤芯折射率为1.4517，芯层厚度为5um，芯层中心线半径42.5um，光纤外径125um。

2、将环形芯光纤一端用光纤剥线钳剥除光纤涂覆层，用酒精将光纤包层清洗干净。用光纤切割刀将光纤端面切平后放入光纤焊接机。

3、取一段毛细管光纤，其光纤折射率为1.4446，外径125um，内经50um。将其一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机，与环形芯光纤进行对接。

4、取一段梯度折射率光纤，其直径为220um长度为200um其折射率分布如图3所示。将其一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机，将毛细管光纤未与环形芯光纤连接的一端经过涂覆层剥除、清洗、切割留下长约1mm的光纤放入光纤焊接机，与梯度折射率光纤进行对接。

5、将环形芯光纤未对接的一段经过涂覆层剥除、清洗、切割后留下长约1mm的光纤即完成新型自加速类贝塞尔光束产生装置的制作。

Claims (6)

1.一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类贝塞尔光束。

2.根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的接收光纤为双芯光纤、多芯光纤或者环形芯光纤中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的场型变换光纤为大芯径阶跃折射率分布的多模光纤或者是中空毛细管光纤。

4.根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的纤维调制光纤为梯度折射率光纤。

5.根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的接收光纤为环形芯光纤，所述的场型变换光纤为中空毛细管光纤，则中空毛细管光纤输出的高阶类贝塞尔光束为：

$E_{\mathrm{out}}(r,L)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{J}_0\left(k_{z,\mathrm{fn}}r\right)\exp \left(i{\mathrm{\β}}_{\mathrm{fn}}L\right)$

其中J₀(k_z,fnr)是贝塞尔函数，L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激发模式的数量，k_z,fn为横向波矢，r是径向坐标，β_fn是LP_0n模的传播常数，C_n是解系数：

$C_n=\frac{{\∫\∫}_S{E}_{\mathrm{in}}(r,\mathrm{\θ})\·{J_0}^{*}\left(k_{z,f_n}r\right)\mathrm{dS}}{{\∫\∫}_S{\left|J_0\left(k_{z,f_n}r\right)\right|}^2\mathrm{dS}},$

其中E_in(r,θ)为毛细管光纤端面的入射光场。

6.根据权利要求5所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的环形芯光纤，其包层折射率为1.4446，纤芯折射率为1.4517，芯层厚度为5um，芯层中心线半径42.5um，光纤外径125um；

所述的中空毛细管光纤，其光纤折射率为1.4446，外径125um，内经50um；

所述的纤维调制光纤为梯度折射率光纤，其直径为220um，长度为200um。