CN109683330A

CN109683330A - 通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法

Info

Publication number: CN109683330A
Application number: CN201910090353.8A
Authority: CN
Inventors: 肖力敏; 谭静宇; 于若玮
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109683330B

Abstract

本发明属光束转换技术领域，具体为通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法。本发明包括：在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂，将绿光激光经透镜耦合入单模光纤，与单模光纤端面沉积的光聚合物液体试剂发生反应，形成聚合物微锥；光束经过光纤端面形成的聚合物微锥后转变为类贝塞尔光束。微锥的形状由光聚合参数如绿光激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度来控制。此微锥工作带宽范围覆盖整个可见光区域甚至近红外波段，最多可以有30多个同心环，并且产生的类贝塞尔光束具有自恢复性质。本发明方法高效、低成本、便捷，可广泛应用于微粒操控、光学成像、非线性光学、光刻、微制造等领域。

Description

通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法

技术领域

本发明属于光束转换技术领域，具体涉及产生类贝塞尔光束的方法。

背景技术

无衍射光束的概念由Durnin在1987年提出，它实际上是零阶的贝塞尔光束，并且Durnin指出在任何垂直于贝塞尔光束传播方向的横截面上，贝塞尔光束的光强分布都具有第一类零阶贝塞尔函数的形式。理想贝塞尔光束横截面的强度分布表现为中心亮点和一系列同心圆环，强度从内向外减小，并且在传播过程中光强分布不变。尽管实际可实现的类贝塞尔光束具有有限的无衍射传播范围，但在此范围内遇到不透明障碍物，它同样具有自恢复特性，即可以恢复到原始的横向光强分布。由于其独特的光强分布和自修复传播特性，类贝塞尔光束已广泛应用于许多领域，如粒子导引，成像，非线性光学，光刻和微制造。

通过光纤生成类贝塞尔光束与通过复杂而笨重的光学系统生成类贝塞尔光束相比，器件更为紧凑，也没有对准和稳定性问题。其中一种产生类贝塞尔光束的方法是在光纤末端制造微轴棱锥，因为轴棱锥是产生类贝塞尔光束的一种有效光学器件。迄今为止，主要有三种类型的光纤微轴棱锥制造方法。第一种是光纤的选择性化学蚀刻方法，该方法可以制作与光纤纤芯对准的锥形透镜，并且能优化锥角，但所需的化学过程耗时且存在表面粗糙度问题。第二种方法是使用聚焦离子束(FIB)，利用该聚焦离子束将光纤纤芯端面加工成圆锥形，然而，与其他方法相比，FIB系统昂贵并且类贝塞尔光束产生效率不高。第三种是通过两步机械抛光工艺制造光纤微轴棱锥，该方法成本低且可用于不同类型的光纤，然而其产生的类贝塞尔光束只有3个同心圆环。在这些基于光纤的微轴棱锥制造方法中，都只产生了小于5个环的类贝塞尔光束。

利用多模光纤中的高阶模激发是产生类贝塞尔光束的另一种方法，其通过将单模光纤与多模光纤比如无芯光纤熔接来激发高阶模式，这种方法比上述的微轴棱锥制造方法更简单，但这种方式产生的光束被认为与类贝塞尔光束不一致。在这些基于光纤的器件中，远场光斑的同心环的数量是评估类贝塞尔光束质量的重要参数，而这种方法产生的圆环数都小于10圈。目前最可信的方式是利用长周期光栅来激发LP_0，m模式，它可以产生较好的类贝塞尔光束，不过该器件只能在相对较窄的波长范围内工作。

本发明通过在光纤端面直接生长聚合物微锥来产生类贝塞尔光束，不仅实现了全光纤结构，而且克服了上述方法中存在的制作困难、耗时、成本高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种耗时短、成本低的全光纤类贝塞尔光束产生方法。

本发明提出的全光纤类贝塞尔光束产生方法，是通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束。具体步骤为：

（1）生成聚合物微锥：由光与配置在光纤端面的光聚合物试剂反应，在光纤端面形成聚合物微锥；在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂，将绿光激光经透镜耦合入单模光纤，与单模光纤端面沉积的光聚合物液体试剂发生反应；其中，光纤纤芯部分发生聚合反应，形成一尖锥形的聚合物微锥，而光纤包层部分的液体试剂未发生反应，用甲醇、乙醇等溶剂洗去；

（2）光束经过光纤端面形成的聚合物微锥后转变为类贝塞尔光束；

其中，聚合物微锥形成所用光为绿光激光，即波长在450 nm到550 nm之间。

所述光聚合物试剂由三种化学试剂组成：伊红Y作为敏化染料，甲基二乙醇胺作为增效剂，季戊四醇三丙烯酸酯作为试剂的骨架提供烯酸酯单体，三者的重量分别占比例为0.2-2%、 9.8-4%、90-94%，总量满足100%，例如实施中0.5%、 8%、91.5%。

本发明中，聚合物微锥的长度和形状可以分别通过沉积的液滴高度和光聚合参数来决定，光聚合参数包含绿光激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度等。

本发明中，能产生类贝塞尔光束的聚合物微锥的聚合参数需要严格控制，如液滴高度为10 μm-20 μm，激光功率为0.5 μw-10 μw，曝光时间为5 s以上（如5 s-15 s）。氧气扩散浓度大于10%，例如为10%--30%。

本发明中，聚合物微锥的工作波长范围广，可将可见光到近红外波段的激光光束都转变为类贝塞尔光束。

本发明中，所产生的类贝塞尔光束具有自恢复性质，得到了验证。

本发明提供了一种有效、低成本、便捷和超紧凑的类贝塞尔光束生成方法，采用全光纤结构解决了对准难的问题，同时类贝塞尔光束质量高、工作波长范围宽，可广泛应用于微粒操控、光学成像、非线性光学、光刻、微制造等领域。

附图说明

图1是本发明实施例中降低液体高度即剂量减少过程的示意图。其中，(a)一个高度为约30 μm的凸形聚合物试剂液滴首先被沉积在左侧新切割的单模光纤的末端。(b)右边另一个新切割的单模光纤往左移动以接触液体；(c)一更薄的光聚合物液滴留在左侧的单模光纤末端，激光从光纤另一端耦合到左侧单模光纤中，激光在单模光纤的纤芯中传输，纤芯部分的光聚合物试剂与光发生反应变成固态，未反应的液体部分可用乙醇等溶剂洗去。

图2是本发明实施例中形成的聚合物微锥的50倍显微镜图像。

图3是本发明实施例中高斯光束照射微锥后形成贝塞尔光束的原理示意图。

图4是本发明实施例中具有不同自生长条件的三个微锥的扫描电子显微镜图像和微锥后的远场光斑图。其中，(a)为剂量减少的液体，5 μw，120 s；(b)为(a)中微锥后的光斑图；(c)为剂量减少的液体，1 μw，60 s；(d)为(c)中微锥后的光斑图；(e) 正常剂量液体，1μw，60 s；(f) 为(e)中微锥后的光斑图。

图5是本发明实施例中四个不同波长入射下微锥后的远场光斑示意图。其中，：(a)406 nm；(b)520 nm；(c)638 nm；(d)660nm。

图中标号：1为单模光纤SMF-28包层，2为单模光纤SMF-28纤芯，3为光聚合物液体试剂，4为绿光激光，5为与光发生聚合反应的试剂部分，6为发明中能产生类贝塞尔光束的微锥，7为微锥后的光束强度分布，8为微锥后形成的类贝塞尔光束光斑，9为激光功率为5 μw、曝光时间为120 s、使用减少的剂量形成的微锥，10为激光功率为1 μw、曝光时间为60 s且沉积正常剂量液体时形成的微锥。

具体实施方式

为了将本发明的目的和优势表述的更清晰，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。

本发明提出的聚合物微锥产生类贝塞尔光束的技术，具体为通过在光纤端面生长光聚合物微锥来直接产生高效类贝塞尔光束。使用绿光激光选择性固化光纤端面的液体制剂从而形成光聚合物微锥，并且为了有效地产生类贝塞尔光束，精确优化了微锥的长度和形状。微锥长度由液滴高度的选取来控制，微锥的形状由光聚合参数如绿光激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度来控制。此微锥工作带宽范围覆盖整个可见光区域，最多可以有30多个同心环，并且类贝塞尔光束的自愈性能得到了很好的验证。

如图1所示，为降低液体高度即剂量减少过程的示意图。发明中使用的光聚合物试剂由三部分组成：伊红Y作为敏化染料，甲基二乙醇胺作为增效剂，季戊四醇三丙烯酸酯作为试剂的骨架提供烯酸酯单体，它们的重量分别占比例为0.5%，8%，91.5%。当用绿光激光照射配置好的液体试剂时，伊红的三重态与胺发生反应，引发烯酸酯单体的聚合，使得光聚合物由液态变为固态。其中，光聚合参数包括绿色激光功率、激光曝光时间和氧扩散浓度等对微锥的形状具有重要影响。通常由于其液体表面张力的影响，光聚合物试剂在单模光纤端面上沉积的液滴高度约为30μm，但是我们发现较短的微锥长度有利于类贝塞尔光束的产生。因此，我们提出一种简单有效的剂量减少方法来制造短的微锥。首先将高度为约30μm的凸形光聚合物试剂的液滴沉积在左边的新切割的单模光纤的末端上，如图1(a)。然后，为了降低液体高度以缩短尖端长度，移入另一根新切割的单模光纤以接触液滴，如图1(b)所示。右边光纤移走后，由于液体在两根光纤上的分离，留下较薄的光聚合物液滴在左侧的单模光纤末端，激光从光纤另一端耦合到左侧单模光纤中，在单模光纤的纤芯中传输，纤芯部分的光聚合物试剂与光发生反应变成固态，未反应的液体部分可用乙醇等溶剂洗去，如图1(c)。

如图2所示，为形成的聚合物微锥的50倍显微镜图像。此微锥长为17.42 μm，底部宽为6.11 μm。

如图3所示，为高斯光束照射聚合物微锥后形成类贝塞尔光束的原理示意图。对于标准的“轴棱镜”来说，类贝塞尔光束是由轴棱镜的锥面上的波矢量的相干叠加产生。在我们的发明中，聚合物微锥类似于一个特殊的微轴棱镜，因为我们的尖端不完全是椭圆形，而是端面有些尖锐。从单模光纤出射的高斯光束到达微锥端面不同位置，波矢间相干叠加，直接从微锥后形成一个类贝塞尔光束。

如图4所示，为具有不同自生长条件的三个微锥的扫描电子显微镜图像和尖端后面的远场模式图案。除了微锥长度之外，微锥的形状也需要优化以产生类贝塞尔光束，这与一系列光聚合参数包括绿色激光功率、激光曝光时间和氧扩散浓度有关。在光聚合刚开始时，由绿色激光激发的伊红三重态不与胺反应，而是与从周围环境扩散的O₂反应，这被称为猝灭，抑制了丙烯酸酯单体的聚合。当消耗一定浓度的O₂后，聚合反应才开始。通常来说，当激光功率相对较高并且曝光时间足够时，液体试剂中的O₂非常快地被消耗，因此环境中O₂对微锥形状的影响非常有限，这种情况下微锥的端面是平坦的。而当激光功率低或激光曝光时间短时，微锥的形状对周围扩散的O₂浓度更敏感，由于液滴表面区域周围的O₂浓度高于液滴内部，微锥沿纵向呈现锥形，从基部到端面微锥的尺寸逐渐减小。当微尖端的长度较长时，锥形过渡是渐变的，来自单模光纤的单模光斑图经过微锥后可以继续保持。然而，当微锥很短时，从基部到尖端的尺寸发生突变，它更像一个微透镜，端面的曲率将主导其光学性质，这是产生类贝塞尔光束的关键因素。我们试验了多次，图中列出了较典型的三种不同类型的微锥，图4(a,c) 中的微锥使用我们的剂量减少方法具有较短的长度，图4(e) 中的微锥使用以前的方法微锥具有正常长度。当激光功率为5μw且曝光时间为120s时，微锥的末端是平的，微锥基部的直径约为14.54μm，微锥长度约为20.84μm，如图4(a) 所示。在这种情况下，微锥后的光斑模式几乎是单模，如图4(b)。当激光功率为1μw且曝光时间为60s时，使用剂量减少的方法，微锥基部的直径为约6.11μm，微锥长度约为17.42μm，如图4(c)。因为沉积的液体高度较短，因此在微锥基部和末端之间存在突然的形状变化，值得注意的是，这种微透镜状微锥的端面不完全是椭圆形，而是像背景技术中介绍的两部抛光法中的微透镜一样有些尖锐。然而，与相对复杂的抛光方法相比，我们的方法可以在一分钟内产生简洁而光滑的微尖端，从而产生高质量类贝塞尔光束，如图4(d)。微锥具有较尖锐的端面主要由于气-液界面处的最大O₂浓度，当照射的激光功率非常低时，其抑制了聚合，相当于自然地“抛光”微锥的端面。当激光功率为1μw，曝光时间为60s时且沉积正常剂量液体时，尖端基部的直径为约6.64μm，尖端长度约为26.05μm，如图4(e)。虽然此时照射的激光参数与图4(c)相同，并且微锥与图4(c) 中的微锥相似，但是在这种情况下制造的微锥更长，它更像空气包覆的聚合物锥形波导，并且锥形过渡是渐变的，使得微锥后面的光斑图主要是单模，具有非常弱的高阶模式，如图4(f)。

如图5所示，为四个不同波长入射下微锥后的远场光斑示意图。为了研究微锥的工作波长范围及其模式特性，我们通过将屏幕直接放置在微锥后来观察不同波长光入射的远场光斑图。如图所示，我们的微锥可以在406 nm至660 nm的整个可见光波长范围内产生高质量类贝塞尔光束，最多情况下可以有30个以上的同心环。微锥也可以在近红外中很好地工作，但是由于我们不能直接从大的屏幕上看到，只有光表面积较小的CCD，因此难以捕获近红外的整个远场图案。

Claims

1.一种通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）生成聚合物微锥：在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂，将绿光激光经透镜耦合入单模光纤，与单模光纤端面沉积的光聚合物液体试剂发生反应；其中，光纤纤芯部分发生聚合反应，形成一尖锥形的聚合物微锥，而光纤包层部分的液体试剂未发生反应，用溶剂洗去；

其中，聚合物微锥形成所用光为绿光激光，波长在450 nm到550 nm之间；

所述光聚合物试剂由三种化学试剂组成：伊红Y作为敏化染料，甲基二乙醇胺作为增效剂，季戊四醇三丙烯酸酯作为试剂的骨架提供烯酸酯单体，三者的重量分别占比为0.2-2%、9.8-4%、90-94%，总量满足%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，聚合物微锥的长度和形状分别通过沉积的液滴高度和光聚合参数来决定，光聚合参数包含绿光激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制液滴高度为10 μm-25 μm，激光功率为0.5 μw-10 μw，曝光时间为5 s以上，氧气扩散浓度10%以上。