CN107636503A - 使用空芯光纤传输偏振激光辐射 - Google Patents

使用空芯光纤传输偏振激光辐射 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学设备。来自激光源的平面偏振激光辐射被四分之一波片(12)转换成圆偏振辐射。圆偏振辐射输入到空芯光纤中以传输到使用点(20)。经传输的辐射通过位于光纤与使用点之间的另一个四分之一波片(22)转换回平面偏振辐射。

Description

使用空芯光纤传输偏振激光辐射
优先权
本申请要求2015年5月14日提交的美国临时专利申请序列号62/161,750的优先权，在此通过引用方式将该申请的全部内容并入本文。
发明技术领域
本发明总体上涉及使用光纤传输激光辐射。本发明特别涉及使用空芯(光学)纤维(HCF)传输偏振脉冲激光辐射。
背景技术的讨论
递送(传输)纤维通常用于将激光(辐射)从其源头传输到使用点。这种技术允许源头与使用点方便地分开许多米。最先进的纤维输送装置能够以高达几十千瓦(kW)的功率在长达数百米的距离上输送连续波(CW)激光辐射。这种输送装置通常使用具有由包层和夹套包围的实心玻璃芯的传输光纤来引导辐射并保护光纤。
当与超短脉冲的高能量激光器一起使用时，由于玻璃中的非线性效应，这种实心玻璃芯降低了时域和频域中脉冲的质量。这可能导致包括增加的脉冲持续时间和严重失真的时间脉冲轮廓(脉冲形状)的问题。在极高的峰值功率，例如大约5兆瓦(MW)或更高的极端情况下，可能会损坏输送光纤的实心玻璃芯。
该问题的已知解决方案是用空芯光纤(HCF)代替实心玻璃芯光纤。空芯光纤是辐射主要在由包层材料包围的中空区域中传播的光纤，该包层材料通常被称为光子晶体或光子带隙材料。光子晶体材料被实心包层材料包围。光子晶体材料是以特定图案排列的实心(玻璃)和空隙区域(纵向延伸管)的混合物。空芯光纤可从许多供应商处购得，包括称为光子带隙光纤、Kagome晶格光纤和反谐振光纤的类型。图1、图2和图3是分别示意性示出这三种空芯光纤类型的实例的横截面显微图。
在HCF中，激光辐射主要在空气、一些其他气体或真空中传播，仅有一小部分辐射光在玻璃中传播。因此，上述非线性效应可以大大降低，并且在整个光纤传播中保持高脉冲质量。这使得高能皮秒(ps)和飞秒(fs)脉冲能够通过光纤传输，脉冲持续时间和脉冲形状只有很小的变化。
在脉冲激光辐射的某些应用中，辐射额定沿着优选取向平面偏振的激光器传输，并且希望在通过传输光纤传输到使用点之后在该使用点处保持该偏振状态。在使用HCF进行激光辐射传输时的一个特别挑战是在运输过程中保持(维持)激光辐射的平面偏振。通过仔细匹配HCF的优选偏振取向，可以在整个运输过程中保持偏振取向。不幸的是，这些取向可以在操作过程中旋转和改变，从而使辐射源和HCF必须重新对准。影响偏振取向的参数包括光纤温度、温度梯度和光纤弯曲。光纤弯曲基本上限制了使用HCF来传输平面偏振辐射。
移动HCF或改变弯曲平面将旋转并改变激光辐射的偏振状态。为了利用HCF进行上述高能辐射脉冲的低失真传输的，需要一种在光纤输出端保持平面偏振辐射的手段。
发明内容
在一个方面，根据本发明的光学设备包括平面偏振激光辐射源。提供空芯光纤用于将来自辐射源的辐射输送到使用点。光纤具有输入端和输出端。光学元件位于光纤的源和输入端之间。光学元件构造和设置成将平面偏振的辐射转换为其他偏振的辐射以便通过光纤传输。
附图说明
并入说明书并构成说明书的一部分的附图示意性示出了本发明的优选实施例，并且与上面给出的一般说明和下面给出的优选实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。
图1是示意性示出光子带隙型空芯光纤的实例的截面显微镜照片。
图2是示意性示出Kagom é晶格型空芯光纤的实例的截面显微镜照片。
图3是示意性示出反谐振型空芯光纤的实例的截面显微镜照片。
图4示意性示出了根据本发明的用于将平面偏振辐射传输到使用位置的设备的优选实施例，该设备包括用于将平面偏振辐射转换成圆偏振辐射的四分之一波片、设置成将圆偏振辐射传输到使用位置的空芯光纤、设置成在使用位置接收来自空心光纤的圆偏振辐射并且将圆偏振辐射转换回平面偏振辐射的另一个四分之一波片、偏振器以及设置成将变换回平面偏振辐射的平面旋转到偏振器最大化透射取向的偏振旋转器。
图5是示意性示出由图4所示偏振器透射的辐射的计算分数的曲线图，该计算分数作为在辐射中由空芯光纤引入的偏振旋转的函数，无论有没有本发明的偏振转换四分之一波片和偏振旋转器。
具体实施方式
现在转到附图，图4示意性示出了根据本发明的用于将平面偏振辐射传输到使用位置的设备的优选实施例10。来自源的平面偏振辐射透过四分之一波片12，四分之一波片优选将平面偏振辐射转换为圆偏振辐射。
这里，每个端部通过套圈18终结的空芯光纤(HCF)16设置成将圆偏振辐射传输到使用位置20。离开HCF 16的圆偏振辐射在使用位置处透过四分之一波片22。四分之一波片22设置成将来自空芯光纤的圆偏振辐射转换回名额定平面偏振辐射。
从四分之一波片22传送的平面偏振辐射可以具有比来自其源的平面偏振辐射更小的平面偏振度(消光比)和稍微不同的偏振取向。这是由于HCF因弯曲、压力、瑕疵等而引起的伪影。因此，由四分之一波片22透射的辐射首先透射通过诸如半波片等偏振旋转器24，然后透射通过偏振器26(这里为麦克尼尔双棱镜(MacNeille bi-prism)形式的偏振选择反射器)。偏振旋转器24设置成将转换回平面偏振辐射的平面旋转到偏振器26最大透射的取向。偏振器拒绝额定平面偏振辐射的任何剩余其他偏振分量，如由箭头R。
这里应该注意的是，尽管HCF 16在图4中被描绘为实际相对较短，但是HCF通常具有几米(m)的长度。在平面偏振光被引导到HCF中而不改变偏振状态并且以不可预测的取向离开HCF平面偏振的装置中，可以旋转半波片以透过偏振器的透射率最大化，即将输送的辐射的偏振方向与由偏振器限定的偏振方向对齐。然而，在使用时光纤的移动或在使用时光纤温度的变化等因素将改变输出平面偏振的取向(旋转)，导致偏振器输出的波动。在图4所示的本发明装置中，传送到半波片24的平面偏振的辐射的取向主要由四分之一波片22确定。
图5是示意性示出偏振器26的计算归一化透射率的曲线图，该透射率作为图4所示的本发明装置在HCF 16中的偏振旋转的函数(实线)和现有技术装置的函数(虚线)，在该现有技术装置中省略了四分之一波片12和22并且平面偏振的辐射被引导到HCF中且从HCF传送。假定半波片24最初被调整(在零旋转时)为以最大透射率透过偏振器，并且不因HCF变化而以偏振旋转被重新调整。可以看出，在现有技术的情况下，对于只有0.5Pi(π/2)的偏振旋转变化，透射率从100％下降到零。这在几米长的HCF中不是不可能发生的。对于本发明的装置，无论偏振旋转如何，计算的透射率保持相同。
在本发明装置的实验中，采用具有约55微米(μm)的空芯直径和约3米长度的Kagomé晶格型HCF。HCF盘绕成50厘米(cm)至100厘米的直径。如图4所示，随着圆偏振辐射射入光纤，发现光纤的移动导致偏振器的输出在最大值与该最大值的约85％之间变化。
这里应该注意的是，虽然上面描述了平面偏振光转换为圆偏振光，但是平面偏振光可以被转换为非平面偏振(以其他方式偏振)的一些其他偏振状态。如果通过光纤传输的辐射可以不经过重新转换成平面偏振而被使用，那么平面偏振可以被转换成由HCF传输的任何状态，并且对光纤弯曲、光纤温度或温度梯度相对不敏感。这些状态包括圆偏振，椭圆偏振和方位偏振。如上所述，圆偏振辐射和椭圆偏振辐射很容易被第二分数波片转换回平面偏振辐射。
此外，应该注意的是，平面偏振这一术语不应被解释为含义精确的平面偏振。一般而言，在一个方向上额定平面偏振的所有辐射可以包括相对少量的以90度偏振到该方向的一些分量。该分量与额定分量的比例被本领域技术人员称为消光比。在上述方案中，额定平面偏振辐射优选具有不大于约10-1的消光比，更优选具有不大于约10-2的消光比。
以上根据优选实施例和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于所描述和描述的实施例。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (13)

1.一种光学设备，包括：
平面偏振激光辐射源；
空芯光纤，所述空芯光纤用于将来自所述源的辐射传输到使用点，并且具有输入端和输出端；和
第一光学元件，所述第一光学元件位于所述源与所述光纤的输入端之间，并且构造和设置成将平面偏振辐射转换为用于通过所述光纤传输的其他偏振的辐射。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述其他偏振辐射为圆偏振和椭圆偏振之一。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括第二光学元件，所述第二光学元件位于所述光纤的输出端与所述使用点之间，并且构造和设置成将传输的所述其他偏振辐射转换回平面偏振辐射。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括：偏振器，所述偏振器设置成接收和透射经转换的平面偏振辐射；以及偏振旋转器，所述偏振旋转器位于所述第二光学元件与偏振器之间，用于将经转换的平面偏振辐射的偏振平面旋转到所述偏振器最佳透射的取向。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述偏振旋转器是半波片，并且所述偏振器是偏振选择反射器。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述偏振选择性反射器是麦克尼尔双棱镜。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述空芯光纤是光子带隙型、Kagome晶格型和反谐振型之一。
8.一种光学设备，包括：
平面偏振激光辐射源；
空芯光纤，所述空芯光纤用于将来自所述源的辐射传输到使用点，并且具有输入端和输出端；
第一光学元件，所述第一光学元件位于所述源与所述光纤的输入端之间，并且构造和设置成将平面偏振辐射转换为用于通过所述光纤传输的其他偏振的辐射；
四分之一波片，所述四分之一波片位于所述光纤的输出端附近，以将椭圆偏振激光辐射转换回平面偏振激光辐射；
偏振旋转器，所述偏振旋转器定位成接收经转换的平面偏振激光辐射；和
偏振器，所述偏振器定位成接收透射通过所述偏振旋转器的激光辐射。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述椭圆偏振辐射是大致圆偏振的。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述偏振旋转器是半波片。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述偏振器是偏振选择性反射器。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述偏振选择反射器是麦克尼尔双棱镜。
13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述空芯光纤是光子带隙型、Kagome晶格型和反谐振型之一。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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