CN106991249A - 一种光纤高阶矢量模横向光强分布评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，包括如下步骤：1)模型建立：根据待测光纤利用多物理场仿真软件创建光纤横截面几何模型；2)参数设定：将待测光纤的参数输入至多物理场仿真软件；3)光纤模型处理：对光纤芯层模拟圆区域及光纤包层模拟圆区域进行网格剖分；4)光纤高阶矢量横向光强对称性判断：设定光纤参数，通过设置电磁计算所需的电磁波频率初始值和欲求解的一组传导模式数量，通过多物理场仿真软件进行完成参数扫描，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据以下公式计算得出ε；结果判断。本发明可用于评价任意光纤的光强对称性、光强分布稳定性等，从而评价它们所对应的自由空间中特种激光光束。

Description

一种光纤高阶矢量模横向光强分布评价方法

技术领域

本发明属于通信领域及光纤光学领域，特别是一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法。

背景技术

特种激光光束，如径向偏振光和角向偏振光，它们的横向电磁场分布具有轴对称性，近年来受到科学家们的关注。由于聚焦后的径向偏振光具有更小的焦点，并且焦点处的电磁场分布具有很好的轴对称性，因此径向偏振光在激光切割、高分辨率显微镜、粒子捕捉等科学领域都具有良好的应用前景。

理论表明，光纤传导的矢量模式TM01与径向偏振光具有相同的电磁场分布，TE01模式具有与角向偏振光相同的电磁场分布。遗憾的是，传统的阶跃光纤的TM01模式和TE01模式对光纤的不完善非常敏感，所以用传统的阶跃光纤很难产生稳定的TM01模式和TE01模式，因此人们发明了具有特殊折射率分布的光纤，用以产生径向偏振光和角向偏振光。但是光纤横截面的不完善依然会破坏TM01模式和TE01模式的轴对称性。

虽然人们已发明了评价径向偏振光和角向偏振光的方法，但这些方法只是考察径向偏振光和角向偏振光中某一位置处的光场的线性极化程度，并没有给出光束轴对称性的全局评价方法。本专利给出了用以定量评价光纤的高阶矢量模式光强分布对称性的方法。使用该方法分析了光纤所产生的TM01模的横向光强分布对称性质，因而可以用来研究光纤横截面折射率分布不完美时TM01模的不完善程度。该方法也可用于评价光纤传导的其他高阶矢量模式，如TE01,HE21。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其可用于评价任意光纤的光强对称性、光强分布稳定性等，从而评价它们所对应的自由空间中特种激光光束，如径向偏振光或角向偏振光的光束质量。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其特征在于：所述评价方法包括如下步骤：

1)模型建立：

根据待测光纤利用多物理场仿真软件创建光纤横截面几何模型，即创建光纤芯层模拟圆及光纤包层模拟圆，模拟待测光纤的芯层和包层；

2)参数设定：

将待测光纤的参数输入至多物理场仿真软件，所述参数包括归一化频率、芯层半径，包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长；

3)光纤模型处理：

对光纤芯层模拟区域及光纤包层模拟区域进行网格剖分；

4)光纤高阶矢量横向光强对称性判断：

A：设置电磁波频率和模式数量：

设定归一化频率、芯层半径、包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长为确定值，通过设置电磁计算所需的电磁波频率初始值和欲求解的一组传导模式数量，通过多物理场仿真软件进行完成参数扫描，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据以下公式计算得出ε：

B：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，当ε越接近1，光纤矢量模式的光强分布对称性越强。

而且，还包括如下步骤：

5)光纤高阶矢量模横向光强分布稳定性判断：

A：步骤2)中的光纤芯层为椭圆，a为椭圆的长半轴长，b为短半轴长；

B：参数设置：

设定归一化频率、芯层折射率、包层折射率、光源波长、电磁波频率初始值、传导模式为确定值，保持短半轴长b不变，通过改变长半轴长a来改变椭圆的离心率e，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同离心率下即光纤发生不同形变时不同的光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)公式计算得出ε；

C：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，可以看出a与b相差越大，ε越远离1，表明高阶模式的光强对称性随芯层椭圆离心率的增大而变坏。

而且，还包括如下步骤：

6)不同归一化频率的光纤的高阶矢量模横向光强分布的稳定性判断：

A：参数设置：

设定被测光纤芯层半径、包层半径、包层折射率、光源波长，电磁波频率初始值、传导模式为确定值，通过改变芯层的折射率n₁来改变归一化的频率V，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同归一化的频率V光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)计算得出ε；

C：结果判断：

判断通过归一化的频率V的改变对一传导模式电场模型变化的影响，当归一化频率V值较大时ε下降越缓慢，表明归一化的频率V值较大的光纤在该传导模式下的光强分布稳定性相对不敏感。

本发明的优点和有益效果为：

1、光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，提出的光纤高阶矢量模横向光强分布评价方法可用于评价任意光纤的TM01、TE01、HE21模式的对称性，从而评价它们所对应的自由空间中特种激光光束，如径向偏振光或角向偏振光的光束质量。定量的分析结果可用于优化用于产生径向偏振光和角向偏振光的特种光纤的折射率分布，也可用于推测光纤横截面的不完善程度，如光纤横截面的几何形变程度或所受外力的大小。

附图说明

图1为本发明的评价方法流程图；

图2为六个传导模式电磁场分布如图2；

图3为TM01模式ε随离心率e变化的曲线；

图4为不同e条件下TM01模式的电场分布和光强分布；

图5给出了归一化频率V＝4.2、4.9、5.2时的ε仿真结果。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其评价方法包括如下步骤：

1)模型建立：

根据待测光纤利用多物理场仿真软件创建光纤横截面几何模型，即创建光纤芯层模拟圆及光纤包层模拟圆，模拟待测光纤的芯层和包层；

2)参数设定：

将待测光纤的参数输入至多物理场仿真软件，所述参数包括归一化频率、芯层半径，包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长，如表1中参数；

表1阶跃光纤参数

3)光纤模型处理：

对光纤芯层模拟圆区域及光纤包层模拟圆区域进行网格剖分；

4)光纤高阶矢量横向光强对称性判断：

A：设置电磁波频率和模式数量：

设定归一化频率、芯层半径、包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长为确定值，通过设置电磁计算所需的电磁波频率初始值和欲求解的一组传导模式数量，通过多物理场仿真软件进行完成参数扫描，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据以下公式计算得出ε：

B：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，当ε越接近1，光纤矢量模式的光强分布对称性越强。

以理想阶跃光纤为例，对归一化频率V＝4.9的阶跃光纤模式电磁场分布进行仿真。仿真所得的六个传导模式电磁场分布如图2，四个高阶矢量模式TM01、TE01、HE21奇、HE21偶的电场矢量具有完美的对称性。

表2V＝4.9时不同模式的I_x、I_y及比值

表2给出理想阶跃光纤的ε值，其中前四个为高阶矢量模式，均满足ε≈1，第五、六个为光纤的基模HE11奇、HE11偶，由于两个HE11模的电场矢量具有任意的可能性，所以ε具有不确定的值，但由于HE11奇和HE11偶是电场矢量互相垂直的极化简并模式，因此按照ε的定义，可以推出HE11奇和HE11偶的ε值互为倒数，表2的值符合这个结论。

还包括如下步骤：

5)光纤高阶矢量模横向光强分布稳定性判断：

A：步骤2)中的光纤芯层为椭圆，a为椭圆的长半轴长，b为短半轴长；

B：参数设置：

设定归一化频率、芯层折射率、包层折射率、光源波长、电磁波频率初始值、传导模式为确定值，保持短半轴长b不变，通过改变长半轴长a来改变椭圆的离心率e，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同离心率下即光纤发生不同形变时不同的光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)公式计算得出ε；

C：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，可以看出a与b相差越大，ε越远离1，表明高阶模式的光强对称性随芯层椭圆离心率的增大而变坏。

表3V＝4.9，a变化时六个模式的值

表3给出了a变化时，六个模式的ε的变化。从表中可以看出a与b相差越大，四个高阶模式的ε越远离1，表明四个高阶模式的光强对称性随芯层椭圆离心率的增大而变坏。图3给出了TM01模式ε随离心率e变化的曲线。图4给出了不同e条件下TM01模式的电场分布和光强分布。

还包括如下步骤：

6)不同归一化频率的光纤的高阶矢量模横向光强分布的稳定性判断：

A：参数设置：

设定被测光纤芯层半径、包层半径、包层折射率、光源波长，电磁波频率初始值、传导模式为确定值，通过改变芯层的折射率n₁来改变归一化的频率V，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同归一化的频率V光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)计算得出ε；

C：结果判断：

判断通过归一化的频率V的改变对一传导模式电场模型变化的影响，当归一化频率V值较大时ε下降越缓慢，表明归一化的频率V值较大的光纤在该传导模式下的光强分布稳定性相对不敏感。

图5给出了归一化频率V＝4.2、4.9、5.2时的仿真结果。V值较大时ε下降越缓慢，表明V值较大的光纤TM01模的光强分布稳定性相对不敏感。从理论上不难解释这一结论：V值较大的光纤传导的模式数量较多，更高阶的模式在包层附近传导，而TM01模在更靠近芯层的区域传导，其电磁场分布不易受光纤芯层的几何形变影响。同理，从图中也可看出V值较小的光纤TM01模的光强分布稳定性相对更为敏感。

本发明提出了光纤高阶矢量模横向光强分布对称性的评价方法；定量研究了光纤TM01模横向光强分布稳定性与光纤不完善度的关系；定量研究了不同光纤的TM01模横向光强分布稳定性与光纤不完善度的关系。

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其特征在于：所述评价方法包括如下步骤：

1)模型建立：

根据待测光纤利用多物理场仿真软件创建光纤横截面几何模型，即创建光纤芯层模拟圆及光纤包层模拟圆，模拟待测光纤的芯层和包层；

2)参数设定：

将待测光纤的参数输入至多物理场仿真软件，所述参数包括归一化频率、芯层半径，包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长；

3)光纤模型处理：

对光纤芯层模拟区域及光纤包层模拟区域进行网格剖分；

4)光纤高阶矢量横向光强对称性判断：

A：设置电磁波频率和模式数量：

设定归一化频率、芯层半径、包层半径、芯层折射率、包层折射率及光源波长为确定值，通过设置电磁计算所需的电磁波频率初始值和欲求解的一组传导模式数量，通过多物理场仿真软件进行完成参数扫描，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据以下公式计算得出ε：

B：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，当ε越接近1，光纤矢量模式的光强分布对称性越强。

2.根据权利要求1所述的光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其特征在于：还包括如下步骤：

5)光纤高阶矢量模横向光强分布稳定性判断：

A：步骤2)中的光纤芯层为椭圆，a为椭圆的长半轴长，b为短半轴长；

B：参数设置：

设定归一化频率、芯层折射率、包层折射率、光源波长、电磁波频率初始值、传导模式为确定值，保持短半轴长b不变，通过改变长半轴长a来改变椭圆的离心率e，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同离心率下即光纤发生不同形变时不同的光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)公式计算得出ε；

C：结果判断：

仿真得到一组传导模式电场分布和光强分布图，并计算得出一组传导模式下ε，通过观测上述电场分布和光强分布图及ε结果，可以看出a与b相差越大，ε越远离1，表明高阶模式的光强对称性随芯层椭圆离心率的增大而变坏。

3.根据权利要求1所述的光纤高阶矢量横向光强分布评价方法，其特征在于：还包括如下步骤：

6)不同归一化频率的光纤的高阶矢量模横向光强分布的稳定性判断：

A：参数设置：

设定被测光纤芯层半径、包层半径、包层折射率、光源波长，电磁波频率初始值、传导模式为确定值，通过改变芯层的折射率n₁来改变归一化的频率V，通过多物理场仿真软件利用参数扫描功能获得不同归一化的频率V光强分布的仿真结果，计算得出E_x、E_y，将E_x、E_y根据式(1)计算得出ε；

C：结果判断：

判断通过归一化的频率V的改变对一传导模式电场模型变化的影响，当归一化频率V值较大时ε下降越缓慢，表明归一化的频率V值较大的光纤在该传导模式下的光强分布稳定性相对不敏感。