CN109752790B - 一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法 - Google Patents
一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的是一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法。其特征是：该光纤包含包层1、中央圆形少模纤芯2、螺旋纤芯3以及环形纤芯4。其中，少模纤芯2位于包层1的中央，螺旋纤芯3环绕在少模纤芯2上，环形纤芯4与少模纤芯2的中轴重合。一方面，由于螺旋纤芯3的周期性微扰，使得少模纤芯2传输的低阶线偏振模式(例如LP11模式5)可转化为高阶的相位涡旋模式，在光纤端生成涡旋光束6。另一方面，当向环形纤芯4耦合输入高斯光场7(或者环形光场)时，会在环形纤芯4中激发出环形传输模式，最终在光纤端输出环形光场8。该光纤可通过直接热融旋转拉丝或先拉丝再热融扭转的方法制备。本发明可用于涡旋光束和环形光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法，可用于涡旋光束和环形光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等，属于光纤技术领域。
(二)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，φ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。Xiuquan Ma等人(Optics Express，2011，19(27)：26515-26528)公开了一种手性耦合芯光纤，该光纤包含一个笔直的中央纤芯和一个缠绕在中央纤芯上的螺旋状侧芯(侧芯直径远小于中央纤芯)，中央纤芯的作用是传输或增强信号，一旦中央纤芯的高阶模式耦合到侧芯，高阶模式的能量就会因为侧芯的螺旋结构而发生弯曲损耗，进而辐射出光纤，仅仅将低阶模式保留在中央纤芯中，最终在中央纤芯中实现有效的单模传输。产生有效的单模传输是该光纤的主要用途。然而，由于存在侧芯螺旋结构，中央纤芯传输的基模(LP01模式，无涡旋量)会和侧芯的高阶涡旋模式(例如LP11涡旋模式)发生谐振耦合，因而，此时可以在侧芯光纤中观察到涡旋模式。由于只有极少部分光能量可以转化侧芯的涡旋模式，因此这种光纤的涡旋模式转化效率极低，并且侧芯的涡旋光束也不易搜集。
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。中国专利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0)也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。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。
此外，中国专利(ZL201010133476.4)还公开了一种具有环形波导层的同轴双波导结构光纤及其制备方法。虽然该光纤的环形芯可以传输环形光场，但是其中央纤芯却和普通圆形纤芯一样，它本身是不能生产涡旋光的，并且在纵向上该光纤不管折射率还是空间结构都没有变化，所以在光纤制备过程不需要加入光纤扭转步骤。为了拓展特种光纤器件的功能，本发明公开了一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法。可用于涡旋光束和环形光场的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。这种光纤不但可以在环形纤芯中产生环形光束，而且可以通过中央圆形少模纤芯和缠绕其上的螺旋纤芯结构的共同作用来生成涡旋光束。与在先技术相比，本发明增加了一种周期性螺旋手性结构光纤及其制备方法，由于螺旋纤芯的模式截止，因此并不会发生螺旋纤芯与中央纤芯的模式耦合，而是通过螺旋纤芯手性几何结构的周期性微扰来实现在中央纤芯传输的低阶线偏振纤芯模式与高阶涡旋模式之间的耦合转化，从而产生高纯度涡旋光场。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
该光纤包含包层1、中央圆形少模纤芯2、螺旋纤芯3以及环形纤芯4。其中，少模纤芯2位于包层1的中央，螺旋纤芯3环绕在少模纤芯2上，环形纤芯4与少模纤芯2的中轴重合。一方面，由于螺旋纤芯3的周期性微扰，使得少模纤芯2传输的低阶线偏振模式(例如LP11模式5)可转化为高阶的相位涡旋模式，在光纤端生成涡旋光束6。另一方面，当向环形纤芯4中注入激光时，会在环形纤芯4中激发环形光传输模式，进而在光纤端出射环形光束8。
下面将详细阐述同轴双波导光纤的中央圆形少模纤芯与缠绕其上的螺旋纤芯结构实现涡旋光束生成的原理。由于螺旋纤芯的模式截止，光波不能在螺旋纤芯中形成稳定的传输模式，因此并不会发生螺旋纤芯与中央纤芯的模式耦合，而是通过螺旋纤芯手性几何结构的周期性微扰影响中央纤芯的模式传输。如果把中央圆形少模纤芯和螺旋纤芯看成一个整体并对其傅里叶级数展开可以发现，这种结构可以看作由两部分构成：一部分是普通的圆形纤芯(直流量)；另一部分是周期性螺旋微扰项(高阶项)。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同轴双波导光纤中的传输。根据涡旋光纤的角动量选择定则公式：
-Mj+Mk±m＝0， (1)
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等于对应涡旋模式的拓扑荷数。m表示手性结构螺旋的个数。以具有两个右旋螺旋纤芯的同轴双波导光纤(m＝-2)为例，输入的线偏振LP11模式可以分解为微扰前圆形纤芯的左旋圆偏振模
(即为
Mj＝+2)和右旋圆偏振模
(包含TE01和TM01，Mj＝0)。经过螺旋微扰后，由公式(1)可以判断出，两个圆形纤芯模可以分别同时与纤芯左旋涡旋模式
和纤芯左旋涡旋模式
发生耦合。由于
和
是兼并模式，因此这两个模式可统一表示成左旋涡旋模式
这样，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，低阶线偏振模式LP11就可以几乎全部转化为高阶纤芯左旋涡旋模式
从而生成拓扑荷数为3的左旋涡旋模式。当然，在低阶线偏振模式LP11耦合生成高阶纤芯左旋涡旋模式
的同时，这两个纤芯模式也可与包层模式(例如包层线偏振LP1n模式或者包层左旋涡旋模式
模式)发生耦合，但是这些耦合都很小，不会对纤芯左旋涡旋模式
的生成产生实质性影响。
以此类推，在其他左旋(或右旋)多螺旋纤芯的同轴双波导光纤(m＝1、2、3...)中，线偏振纤芯模LPn1和右旋涡旋纤芯模
(或左旋涡旋纤芯模
)发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，光能量就会几乎全部转化为
模式(或
模式)，最终在中央纤芯中生成了拓扑荷数为(n+m)的右旋(或左旋)涡旋模式。
(四)附图说明
图1是同轴双波导光纤横截面示意图。
图2是同轴双波导光纤的工作原理示意图。
图3是在右旋同轴双波导光纤中的模式耦合功率曲线。
图4是同轴双波导光纤的生成的涡旋模式强度(左图)和相位(右图)分布示意图。
图5是同轴双波导光纤预制板的制备示意图。
图6是同轴双波导光纤的拉制示意图。
图7是具有其他多螺旋纤芯结构的同轴双波导光纤横截面示意图。
图8是涡旋光场生成装置示意图。
图9是环形光场生成装置示意图。
(五)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：
结合图1-图4，本发明实施方式具有一段同轴双波导光纤(以具有右旋双螺旋芯的同轴双波导光纤为例)，该光纤包含包层1、中央圆形少模纤芯2、螺旋纤芯3以及环形纤芯4。一方面，当低阶线偏振LP11纤芯模式5输入到该光纤后，在双螺旋纤芯3的扰动下，该模式会与高阶纤芯左旋涡旋模式
发生耦合(如图3所示，这两个模式的功率分别用点划线和虚线表示，耦合周期为T0)，当然，从图3也可以看出，纤芯模式还和其他包层模式(例如LP11、LP12、LP13和LP14，这些模式耦合功率用实线表示)发生耦合，但这些耦合的功率都很小，不会对纤芯涡旋模式的生成产生实质性影响。因而，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，纤芯线偏振模式LP11几乎全部转化为拓扑荷数为3的高阶纤芯左旋涡旋模式
(见图4所示)，最后在光纤端输出高纯度的涡旋光束6。另一方面，当向环形纤芯4耦合输入高斯光场4(或者环形光场)时，会在环形纤芯4中激发出环形传输模式，最终在光纤端输出环形光场8。
同轴双波导光纤的制备过程可分为以下两个步骤(见图5和图6)：
步骤1：同轴双波导光纤预制棒制备(见图5)。先采用MCVD制棒方法制备内壁含有中央孔9和内壁环形芯层10的中空环形芯光纤预制棒构件；然后在含有中央芯层11的光纤预制棒靠近芯层处加工偏心微孔12，并向微孔12中嵌入细小芯棒13，最后把整个插件嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的光纤预制棒14。
步骤2：将制备好的光纤预制棒14放置在光纤拉丝塔上，并固定在旋转电机15上，光纤预制棒14进过加热炉16加热熔融并在垂直牵引力17和旋转电机7提供的扭转力的共同作用下旋转拉丝，最后拉制出同轴双波导光纤18，如图6所示。当然，也可以和普通光纤拉制一样，先直接把光纤预制棒14拉制成非螺旋光纤，然后再热融旋转制备成同轴双波导光纤18。
此外，可利用以上同样的光纤制备方法制作其他具有左旋(或右旋)多螺旋纤芯的同轴双波导光纤，如图7所示。利用这些同轴双波导光纤可生成环形光场和相应拓扑荷数的涡旋光场。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
一、涡旋光场生成(见图8)：
步骤1：光纤制备：按照实施方式的光纤制备方法制作同轴双波导光纤1；
步骤2：光源耦合：将单模光纤19、少模光纤20和制备好的同轴双波导光纤18依次对准、焊接，如图8所示。其中，在少模光纤20中的传输模式受到模式分选器21的控制；
步骤3：涡旋光束生成：输入激光22，在偏振控制器23和模式分选器21的作用下，选择性地在少模光纤20中产生线偏振LP11模式5，这样，在该模式激励下同轴双波导光纤18就可输出涡旋光束6。
二、环形光场生成(见图9)：在同轴双波导光纤18中环形纤芯4的光源输入由侧抛光纤耦合器来实现。该耦合器由包层经过抛磨的单模光纤19和同轴双波导光纤18组成，由于两个侧抛面24紧密靠在一起，使单模光纤纤芯25与同轴双波导光纤18的环形纤芯4距离足够近，当向单模光纤19输入激光22时，单模光纤19传输的光波就可以直接耦合到同轴双波导光纤18的环形纤芯4中，并形成环形纤芯导模，最后在同轴双波导光纤18的纤端输出环形光场5。
Claims (7)
1.一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述光纤包含包层(1)、中央圆形少模纤芯(2)、螺旋纤芯(3)以及环形纤芯(4)，其中，少模纤芯(2)位于包层(1)的中央，螺旋纤芯(3)环绕在少模纤芯(2)上，环形纤芯(4)与少模纤芯(2)的中轴重合；一方面，由于螺旋纤芯(3)的周期性微扰，使得少模纤芯(2)传输的低阶线偏振模式(5)可转化为高阶的相位涡旋模式，在光纤端生成涡旋光束(6)；另一方面，当向环形纤芯(4)耦合输入高斯光场或者环形光场(7)时，会在环形纤芯(4)中激发出环形传输模式，最终在光纤端输出环形光场(8)。
2.根据权利要求1所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述光纤的制备方法是：(1)先采用MCVD制棒方法制备内壁含有环形芯层的中空环形芯光纤预制棒构件；(2)在含有中央芯层的光纤预制棒靠近芯层处加工偏心微孔，并向微孔中嵌入细小芯棒，最后把整个插件嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的光纤预制棒；(3)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行热融旋转拉丝，最终形成含有螺旋纤芯结构的同轴双波导光纤。
3.根据权利要求1所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述的螺旋纤芯的个数大于或等于1。
4.根据权利要求1和3任何一项所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述的螺旋纤芯的位置位于中央纤芯和环形纤芯之间。
5.根据权利要求1和3任何一项所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述的螺旋纤芯的模式截止，既在该纤芯中没有稳定的传输模式。
6.根据权利要求1和3任何一项所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤，其特征是：所述的螺旋纤芯的螺距H满足如下关系：H＝2π(β1-β2)-1，其中β1表示在中央纤芯中低阶线偏振模式的传输常数，β2表示在中央纤芯中激发的高阶涡旋模式的传输常数。
7.根据权利要求2所述的一种可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤的制备方法，其特征是：所述的热融旋转拉丝制备光纤也可以是先直接拉制成不具有螺旋结构的光纤，然后对该光纤进行热融扭转形成含有螺旋纤芯结构的同轴双波导光纤。
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Application publication date: 20190514 Assignee: Guilin Qixing District Fiber Optic New Technology Development Center Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045912 Denomination of invention: A coaxial dual waveguide fiber capable of generating vortex light and annular field and its preparation method Granted publication date: 20201106 License type: Common License Record date: 20231108 |