CN105572794B - 一种三角芯涡旋场光纤及其制备方法 - Google Patents

一种三角芯涡旋场光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等场合的三角芯涡旋场光纤及其制备方法。一种三角芯涡旋场光纤，光纤包含三角纤芯1和包层2，三角纤芯1位于包层2中央，该光纤通过沿光纤中轴加热旋转，三角纤芯在光纤纵向形成周期性三螺旋结构；当高斯光场3输入到该光纤后，在三角纤芯中激发出多个低阶和高阶纤芯模式，形成多模式传输光场4。与在先技术相比，本发明增加了一种周期性螺旋手性结构三角芯光纤及其制备方法，拓展了拓扑荷数为3或者其整数倍的涡旋光束的生成方法。

Description

一种三角芯涡旋场光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等场合的三角芯涡旋场光纤及其制备方法。
背景技术
众所周知，电磁波传输的不仅是能量还有动量，这是所有物体平移运动的一种特有性质，当电磁波的动量被其它物体吸收或散射时，就会形成“辐射压力”，从而对物体形成机械压力。同样，光波也存在着角动量，这是所有转动运动的一种特性。光波角动量在光轴上可以分解为自旋角动量和轨道角动量。其中特别的是，具有光轨道角动量的光波波前呈螺旋状，因此把此时的相位状态称为“相位涡旋”。实际上，光涡旋早在一个世纪前就被发现。在1909 年，Poynting首次提出光子的自旋，说明单个光子是圆偏振的。Allen及其同事在1992年报道了螺旋相位光束包含一个角相位项exp(ilφ)，这表明每个光子含有(l为拓扑荷数，为方位角，为普朗克常量)的轨道角动量。当拓扑荷数为零(l＝0)时，光波没有轨道角动量，波前为平面。然而，当l＝+1(或l＝-1)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前呈现左旋(或右旋)单螺旋结构。同样，当l＝+2(或 l＝-2)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前则为左旋(或右旋)双螺旋结构。由于其独特的性质(具有一个额外的角向自由度)，相位涡旋光波在光通信、微粒操纵、纳米尺度显微观测等方面具有突出的应用潜力。
生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(Optics Express,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。另外的一种涡旋光束生成方法则是利用手性光纤实现。第一类材料(主要为折射率)手性涡旋光纤。美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1) 公开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。而中国专利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0) 则公开了多种纤芯折射率呈手性分布的特种光纤用于生成相位涡旋光束，这种光纤制备则比较容易。第二类为空间结构手性涡旋光纤。美国专利(US6839486)公开了一种对偏芯、椭圆芯、矩形芯等扭转而成的手性结构光纤，该光纤不但可以实现光栅功能，同样可以生产涡旋光束，但这些光纤仅为单螺旋、双螺旋和四螺旋结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生成拓扑荷数为3或者其整数倍的涡旋光束的三角芯涡旋场光纤。
本发明的目的还在于提供一种三角芯涡旋场光纤制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种三角芯涡旋场光纤，光纤包含三角纤芯1和包层2，三角纤芯1位于包层2中央，该光纤通过沿光纤中轴加热旋转，三角纤芯在光纤纵向形成周期性三螺旋结构；当高斯光场 3输入到该光纤后，在三角纤芯中激发出多个低阶和高阶纤芯模式，形成多模式传输光场4，通过纤芯的周期性三螺旋结构，光波传输到长度L后，使得两个兼并高阶模式产生π/2的相位差时，三角纤芯中产生涡旋相位，生成相位涡旋光传输模式；在该长度下截断光纤，直接在纤芯1的光纤出射端得到相位涡旋光束5。
所述的三角芯周期性三螺旋结构为恒定周期性三螺旋结构和变周期性三螺旋结构中的一种。
所述的光纤的中心到三角纤芯三个顶点的距离相同，该距离记作a。
所述的三角纤芯具有三个圆弧形边，并且三边具有相同的弧度和弯曲半径，弯曲半径R 满足如下关系：R>a。
所述的三角芯涡旋场光纤是任意正多边形芯涡旋场光纤。
一种三角芯涡旋场光纤的制备方法，包括如下步骤：1在普通光纤预制棒靠近纤芯处对称地加工三个偏心孔，形成了带有三个孔的光纤预制棒；2将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融旋转拉丝；3在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，同时，圆形纤芯也会在应力作用下其局部向三个孔方向流变，而逐渐形成三角纤芯；4在不断的加热并旋转得过程中进行拉丝，最终形成纤芯呈周期性螺旋状的三角芯涡旋场光纤。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种三角芯涡旋场光纤及其制备方法。可用于涡旋光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。它采用加热旋转普通三角芯光纤的方法得到，因此该光纤纤芯呈现周期性三螺旋手性结构，从而可以把输入高斯光场转化为拓扑荷数为3或者其整数倍的涡旋光束。与在先技术相比，本发明增加了一种周期性螺旋手性结构三角芯光纤及其制备方法，拓展了拓扑荷数为3或者其整数倍的涡旋光束的生成方法。
附图说明
图1是三角芯光纤横截面示意图。
图2是三角芯涡旋场光纤的工作原理示意图。
图3是在右旋三角芯涡旋场光纤中的模式耦合曲线。
图4是三角芯涡旋场光纤的制备示意图。
图5是正五边形纤芯和正六边形纤芯涡旋场光纤横截面示意图。
图6是带有光源尾纤的三角芯涡旋场光纤示意图。
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：
本发明提供的是一种三角芯涡旋场光纤及其制备方法。该光纤包含三角纤芯1和包层2，三角纤芯1位于包层2中央，该纤芯在光纤纵向呈现周期性三螺旋结构。这种周期性三螺旋结构是通过对通常的光纤预制棒在靠近纤芯处对称地加工有三个微孔，然后将该光纤预制棒装卡在光纤拉丝机上，通过熔融旋转拉丝而成。当高斯光场3输入到三角芯涡旋场光纤后，在三角纤芯1中会激发出多个低阶和高阶纤芯模式，从而形成多模式传输光场4，由于周期性三螺旋结构，当传输光场5传输到一定长度时，使得两个兼并的高阶模式恰好产生π/2的相位差时，纤芯1中就会产生涡旋相位，生成相位涡旋光传输模式。如果此时在此长度下截断光纤，就可以直接在光纤端的纤芯1的出射端得到相位涡旋光束5。本发明可用于涡旋光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。
该光纤包含三角纤芯1和包层2，三角纤芯1位于包层2中央，该光纤通过沿光纤中轴加热旋转，三角纤芯1在光纤纵向形成周期性三螺旋结构。当高斯光场3输入到该光纤后，在三角纤芯1中会激发出多个低阶和高阶纤芯模式，从而形成多模式传输光场4，通过纤芯的周期性三螺旋结构，当光波传输到一定长度时，使得两个兼并高阶模式恰好产生π/2的相位差时，三角纤芯1中就会产生涡旋相位，生成相位涡旋光传输模式。如果此时在该长度下截断光纤，就可以直接在光纤端的纤芯1的出射端得到相位涡旋光束5。
三角芯周期性螺旋结构可以看作由两部分构成：一部分是普通的圆形纤芯；另一部分是周期性螺旋微扰项。这样就可以通过基于普通圆形纤芯光纤的模式微扰理论来解释光波在三角芯涡旋场光纤中的传输。根据涡旋光纤的角动量选择定则公式
-Mj+Mk±m＝0，
这里Mj和Mk分别为圆形纤芯光纤模式j和模式k的方位角数，实际上Mj-1等于对应相位涡旋模式的拓扑荷数。m表示手性结构螺旋的个数。以右旋三角芯涡旋场光纤m＝-3为例，输入的高斯光场可以分解为微扰前圆形纤芯的右旋圆偏振基模和左旋圆偏振基模经过螺旋微扰后，由公式1可以判断出，两个圆形纤芯基模可以分别同时与纤芯右旋涡旋模式和纤芯右旋涡旋模式发生耦合。由于和以及和都是兼并模式，因此把输入的两个纤芯圆偏振基模和生成的两个纤芯右旋涡旋模式分别统称为纤芯线偏振基模LP01和右旋涡旋模式因此，在左旋三角芯涡旋场光纤中，LP01模式和右旋涡旋模式模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP01模式全部转化为模式，这样就生成了拓扑荷数为3的右旋涡旋模式。同样，在左旋三角芯涡旋场光纤中，LP01模式和左旋涡旋模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP01模式全部转化为模式，生成拓扑荷数为3的左旋涡旋模式。
以此类推，在其他左旋或右旋正多边形涡旋场光纤m>3中，线偏振基模LP01和左旋涡旋模式或右旋涡旋模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP01模式全部转化为模式或模式，最终生成了拓扑荷数为m的左旋或右旋涡旋模式。此外，如果在三角芯涡旋场光纤或其他正多边形涡旋场光纤的纤芯中能传输更高阶的模式例如HE2m+1,1、HE3m+1,1、HE4m+1,1等，那么选择合适的光纤长度也可以生成拓扑荷数为m的整数倍的相位涡旋光束。
结合图1-图3，本发明实施方式是这样的：选择一段具有螺旋形三角芯结构的光纤以右旋为例，该光纤包含三角纤芯1和包层2，三角纤芯1沿纵向为周期性三螺旋结构。当高斯光场3输入到该光纤后，在三角纤芯1中会激发出纤芯线偏振基模LP01包含和和右旋涡旋模式包含和这两个模式在传输过程中相互耦合如图3所示，这两个模式的功率分别用实线和虚线表示，耦合周期为T0，从而在三角纤芯1中形成耦合模式传输光场4，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍也就是光纤长度为(n+0.5)T0，n为非负整数时，使得两个兼并高阶模式恰好产生π/2的相位差，同时纤芯线偏振基模LP01全部转化为右旋涡旋模式这样就生成了极高纯度的相位涡旋光束5。
三角芯涡旋场光纤的制备过程可分为以下两个步骤见图4：
步骤1：在普通光纤预制棒靠近纤芯处对称地加工三个偏心孔6，形成新的光纤预制棒7；
步骤2：把光纤预制棒7装卡在拉丝机上；
步骤3：光纤预制棒7经过加热炉8加热，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，与此同时，圆形纤芯也会在应力作用下其局部向三个孔方向流变，而逐渐形成三角纤芯；
步骤4：使光纤预制棒旋转，并在垂直牵引力9和扭转力10的共同作用下进行扭转拉丝，最后拉制出三角芯涡旋场光纤11。
此外，利用上述同样的光纤制备方法也可以制作任意正多边形芯涡旋场光纤，例如图5 所示的正五边形芯和正六边形芯涡旋场光纤。利用正多边形芯涡旋场光纤可以生成拓扑荷数为m或其整数倍的相位涡旋光束。
下面结合具体的实施例来进一步阐述借助于本发明是如何产生涡旋光束的。
步骤1：光纤制备
按照上述实施方式及光纤制备方法，制备出三角芯涡旋场光纤11；
步骤2：光源耦合
将制备好的三角芯涡旋场光纤11以合适的长度进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤 14对准、焊接，如图6所示；
步骤3：涡旋光束生成
输入激光15，光波在三角芯涡旋场光纤11中经过耦合传输后在光纤端输出拓扑荷数为3 或3的整数倍的相位涡旋光束5。

Claims (5)

1.一种三角芯涡旋场光纤，其特征在于：光纤包含三角纤芯(1)和包层(2)，所述的三角纤芯具有三个圆弧形边，并且三边具有相同的弧度和弯曲半径，弯曲半径R满足R>a，a为光纤的中心到三角纤芯三个顶点的距离，三角纤芯(1)位于包层(2)中央，该光纤通过沿光纤中轴加热旋转，三角纤芯在光纤纵向形成周期性三螺旋结构；当高斯光场(3)输入到该光纤后，在三角纤芯中激发出多个低阶和高阶纤芯模式，形成多模式传输光场(4)，通过纤芯的周期性三螺旋结构，光波传输到长度L后，使得两个兼并高阶模式产生π/2的相位差时，三角纤芯中产生涡旋相位，生成相位涡旋光传输模式；在该长度下截断光纤，直接在纤芯1的光纤出射端得到相位涡旋光束(5)。
2.根据权利要求1所述的一种三角芯涡旋场光纤，其特征在于：所述的三角芯周期性三螺旋结构为恒定周期性三螺旋结构和变周期性三螺旋结构中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种三角芯涡旋场光纤，其特征在于：所述的光纤的中心到三角纤芯三个顶点的距离相同。
4.根据权利要求1所述的一种三角芯涡旋场光纤，其特征在于：所述的三角芯涡旋场光纤是任意正多边形芯涡旋场光纤。
5.一种三角芯涡旋场光纤的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在普通光纤预制棒靠近纤芯处对称地加工三个偏心孔，形成了带有三个孔的光纤预制棒；(2)将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融旋转拉丝；(3)在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，同时，圆形纤芯也会在应力作用下其局部向三个孔方向流变，而逐渐形成三角纤芯；(4)在不断的加热并旋转得过程中进行拉丝，最终形成纤芯呈周期性螺旋状的三角芯涡旋场光纤；所述的三角纤芯具有三个圆弧形边，并且三边具有相同的弧度和弯曲半径，弯曲半径R满足R>a，a为光纤的中心到三角纤芯三个顶点的距离。
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长周期手征光栅及其在光纤传感和光轨道角动量调制中应用的研究;许华醒;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑 》;20131015;第I135-32卷(第10期);93-97

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