CN109633822B - 一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法 - Google Patents

一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法。以克服现有技术存在的模场直径较小，光束准直性较差，难以通过锥透镜产生高质量贝塞尔光束的问题。为了达到本发明的目的，本发明采用的步骤为：步骤1：将掺杂单模光纤剥去涂覆层后，对其进行热扩束处理；步骤2：用光纤切割刀垂直于经热扩束处理后的光纤轴向切割并对扩束端光纤端面做抛光处理；步骤3：在抛光后的热扩束光纤扩束端的光纤端面上镀一层减反射膜；步骤4：将镀了减反射膜的光纤端面浸入光刻胶内，使用飞秒激光聚焦于光纤端面位置，由双光子聚合工艺，实现光刻胶的聚合与固化，在光纤端面制作微型锥透镜。

Description

一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法。
背景技术
贝塞尔光束是一种非衍射光束，自Durnin等人首次报道以来，这种光束就受到了极大的关注，贝塞尔光束具有非衍射传播和自愈合的独特性质，在许多潜在的应用中已经发现，其中包括光捕获与操纵、光束缚、非线性光学、光相干层析扫描、微加工、干涉测量和光刻等。
生成贝塞尔光束的方法有很多种，其中最常见的一种是，平面波通过二次曲面或圆锥曲面产生干涉来生成光束，这种方法通常是在几何光学器件的焦点处放置一环形孔来实现，但由于其具有难对准以及不适合具有较小中心点的贝塞尔光束等问题，往往不被采用。近年来，研究者们利用光纤结构生成了贝塞尔光束，例如长周期光栅光纤、多模光纤和中空光纤等，由于光纤的灵活性和集成能力，用光纤等效物代替现有的大容量光学元件将提供更灵活，易于部署的贝塞尔光束生成器，因此基于光纤的贝塞尔光束生成器越来越受欢迎，也被广泛应用于光束转换、光纤传感以及光镊技术领域。
虽然目前存在几种基于光纤结构的贝塞尔光束生成器，但由于大都基于体光学器件，存在体积大、成本高、对准难等问题。通过微加工工艺，直接在光纤端面制作锥透镜，构成光纤贝塞尔光束生成器，直接将光纤中传输的高斯光束转换为贝塞尔光束输出，可以克服上述问题，具有结构简单、无需对准、原材料成本低等优点。
现有的光纤贝塞尔光束生成器的制作方法主要有化学刻蚀法、加热熔融拉锥法、研磨抛光法以及聚焦离子束刻蚀法等。化学刻蚀法，通过毛细作用的影响，在氢氟酸中对光纤端面进行选择性的化学刻蚀制备光纤锥透镜，其对光纤的要求比较高，通常只能用小芯径光纤制作，并且存在加工精度不高，面型比较容易出现缺陷，锥顶容易产生弧形的缺点。加热熔融拉锥法制作光纤端面锥透镜的主要问题是难以加工出大角度的锥角，因此无法产生聚焦质量好的近似贝塞尔光束。研磨抛光法将光纤倾斜放置并使用高速旋转的不同粗糙组的砂盘对光纤对面进行研磨，便于控制角度，并实现较好的面型，但要实现较高的表面指令，需要多道研磨与抛光工艺，较为耗时，并且容易出现光纤断裂等问题。等离子束刻蚀法，可以制作出非常精细的微小光锥，但加工过程极为复杂。因此现有的光纤贝塞尔光束生成器的结构及制作方法均具有一定的局限性，另外现有的贝塞光束生成器通常直接使用未经处理的单模光纤，其模场直径较小，光束准直性较差，难以通过锥透镜产生高质量的贝塞尔光束。
发明内容
本发明提出一种光纤贝塞尔光束生成器及其制作方法，以克服现有技术存在的模场直径较小，光束准直性较差，难以通过锥透镜产生高质量贝塞尔光束的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种光纤贝塞尔光束生成器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将掺杂单模光纤剥去涂覆层后，对其进行热扩束处理；
步骤2：用光纤切割刀垂直于经热扩束处理后的光纤轴向切割并对扩束端光纤端面做抛光处理；
步骤3：在抛光后的热扩束光纤扩束端的光纤端面上镀一层减反射膜；
步骤4：将镀了减反射膜的光纤端面浸入光刻胶内，使用飞秒激光聚焦于光纤端面位置，由双光子聚合工艺，实现光刻胶的聚合与固化，在光纤端面制作微型锥透镜。
上述制备方法制得的光纤贝塞尔光束生成器。
本发明提出的方法制备得到的光束生成器可以直接将光纤中传输的光束转换为贝塞尔光束输出。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用热扩束光纤与微型锥透镜的结合，由于对掺杂单模光纤进行热扩束处理后，在不改变光纤包层直径的基础上扩大了光纤的模场直径，减少有限孔径造成的衍射效应，由于入射光纤锥透镜的光束尺寸更大，可以显著提高所生成贝塞尔光束的光束质量。
2、本发明采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤端面制作微米尺度的聚合物锥透镜，利用飞秒激光双光子聚合的高精度与高效率，相比于化学刻蚀法、加热熔融拉锥法、研磨抛光法等其他方法，可以在光纤端面上快速制备高精度、表面质量良好、锥角可灵活控制的聚合物锥透镜。
3、相比于传统光纤锥透镜构成的贝塞尔光束生成器不对光纤端面做任何处理，在热扩束光纤扩束端的光纤端面上镀减反射膜，可以消除端面反射，使光纤中传输的高斯光束高效率地从光纤端面出射，从而有效提高从高斯光束到光纤贝塞尔光束的转换效率。
附图说明
图1 为基于光纤端面微型锥透镜的贝塞尔光束生成器的光束生成示意图。
图2为掺有杂质的单模光纤热扩束处理装置图。
图3为经热扩束处理后的光纤结构图。
图4为对热扩束光纤切平抛光处理后的光纤结构图。
图5为对扩束端光纤端面镀减反射膜图。
图6为双光子聚合的局部装置图。
图7为飞秒激光双光子聚合加工光路示意图。
图8为产生贝塞尔光束的光纤端面的微型锥透镜结构简图。
图9为基于光纤端面微型锥透镜的贝塞尔光束生成器示意图。
其中，附图标记说明如下：
1-单模光纤；2-热扩束光纤；3-切平抛光处理后的光纤；4-镀减反射膜的热扩束光纤；5-未扩束端包层；6-未扩束端纤芯；7-扩束端包层；8-扩束端纤芯；9-减反射膜；10-微型锥透镜；11-CO2激光器；12-光学双凸透镜；13-激光；14-光刻胶；15-载玻片；16-压电平台；17-光纤夹持器；18-飞秒激光器；19-光阑；20-衰减器；21-第一个反射镜；22-第一个透镜；23-第二个透镜；24-转镜；25-电介质镜；26-物镜；27-光纤照明灯；28-第三个反射镜；29-第三个透镜；30-CCD。
具体实施方式
结合图1-图9，本发明的一种实施方式具有一段热扩束光纤（包含未扩束端光纤的包层和纤芯以及扩束端光纤的包层和纤芯）、减反射膜以及光纤锥透镜。高斯光束在经热扩束和切平抛光处理后的热扩束光纤中传输，其扩束端对高斯光束进行准直，并继续传输，传输光在经过扩束端光纤端面镀有的减反射膜消除端面反射后，再通过光纤锥透镜将高斯光束转换为一组传播到锥透镜上的平面波，实现了高斯光束向贝塞尔光束的转换，最终在锥透镜前端生成贝塞尔光束。
本发明提供的一种光纤贝塞尔光束生成器的制作方法如下：
1、取一段掺有杂质的单模光纤1，首先进行涂覆层祛除，得到单模光纤的裸纤，然后使用CO2激光器11通过光学双凸透镜12对裸纤进行热扩束处理，如图2所示,最终得到热扩束光纤2，如图3所示；
2、用光纤切割刀垂直于热扩束光纤2轴向切割并做抛光处理，得到切平抛光处理后的光纤3（包含热扩束光纤未扩束端的未扩束端包层5和未扩束端纤芯6；热扩束光纤的扩束端包层7和扩束端纤芯8），如图4所示；
3、在抛光处理后的热扩束光纤扩束端的光纤端面镀上一层减反射膜9，得到镀减反射膜的热扩束光纤4，如图5所示；
4、再将镀减反射膜的热扩束光纤4上镀有减反射膜9的一端浸入光刻胶14内，光刻胶14位于载玻片15的表面，载玻片15固定在压电平台16上，并使用光纤夹持器17对其进行固定，如图6所示。使用飞秒激光器18，先通过光阑19滤光和衰减器20进行衰减后，经过第一反射镜21准直后，入射到第一透镜22和第二透镜23进行扩束后，再通过转镜24和电解质物镜25后，进入100倍物镜26对其进行聚焦，聚焦于光纤端面位置，由双光子聚合工艺，实现光刻胶14的聚合与固化，同时使用光纤照明灯27照射，发出可见光，通过电介质镜25，第三反射镜28和第三透镜29，进入CCD 30，对激光焦点附近实时监测，如图7所示。在光纤端面形成微型锥透镜10，这样就完成了整个光纤贝塞尔光束生成器的制备，如图8所示。
经由上述制备方法制得的光纤贝塞尔光束生成器由经过热扩束处理的单模光纤、减反射膜以及微米尺度的双光子聚合锥透镜几部分构成，减反射膜位于热扩束光纤扩束端的光纤端面上，双光子聚合锥透镜位于减反射膜上，并与热扩束光纤同轴。
在制得的光纤贝塞尔光束生成器的输入端输入激光13,在光纤贝塞尔光束生成器输出端（锥透镜10前端）就可产生贝塞尔光束,如图9所示。

Claims (1)

1.一种光纤贝塞尔光束生成器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将掺杂单模光纤剥去涂覆层后，对其进行热扩束处理；
步骤2：用光纤切割刀垂直于经热扩束处理后的光纤轴向切割并对扩束端光纤端面做抛光处理；
步骤3：在抛光后的热扩束光纤扩束端的光纤端面上镀一层减反射膜；
步骤4：将镀了减反射膜的光纤端面浸入光刻胶内，使用飞秒激光聚焦于光纤端面位置，由双光子聚合工艺，实现光刻胶的聚合与固化，在光纤端面制作微型锥透镜；
上述制备方法制得的光纤贝塞尔光束生成器，由经过热扩束处理的单模光纤、减反射膜以及微米尺度的双光子聚合锥透镜几部分构成，减反射膜位于热扩束光纤扩束端的光纤端面上，双光子聚合锥透镜位于减反射膜上，并与热扩束光纤同轴。
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