CN110764190B - 改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微光机械领域，涉及一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统，包括：激光器、偏振片、耦合透镜、光纤偏振控制器、光纤、微纳光纤、密闭透明腔体，其中：激光器位于光纤一侧，激光经过偏振片和耦合透镜进入光纤进行传输，光纤偏振控制器处于光纤中间部分，光纤末端一段长度拉制为微纳光纤，且微纳光纤的末端端面倾斜，微纳光纤垂直放置于密闭透明腔体内。本发明通过调节输入微纳光纤的激光偏振，使得光纤末端发生偏折转变，不仅能够打破传统的单一非对称结构引起光力不平衡，还能够实现在光纤结构固定时，通过改变激励光源的偏振产生可控、多维度的光纤偏折。本发明还提供一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的方法。

Description

改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法
技术领域
本发明属于微光机械领域，涉及一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法。
背景技术
电磁波携带能量、线动量和角动量。光与物质相互作用的同时，他们之间的能量和动量相互交换，进而产生光力。近年来，关于光力的研究逐渐增多，使得光力的应用的场景也越来越广泛，比如，利用梯度力实现微粒的捕获和操纵，利用光子自身携带的角动量带动微齿轮发生旋转，利用光的辐射压力制造星际太阳帆等。有实验观察到连续波光源通过一段纳米光纤引起光纤形变，之后，对于微纳光纤受力分析的研究开始受到关注。在产生光纤偏折的方法中，光耦合进光纤进行传输，导致微纳光纤产生偏折。现有方法存在以下问题：
在光纤结构固定之后，现有方法只能产生在光纤的某一侧不为零的光力，即光纤末端只会偏向光纤结构不对称某一方向，不能实现更多维度的光纤偏转。同时，现有方法不能够实现在光纤结构不变的条件下产生可变、灵活的光纤偏转，这使得微纳光纤在实际应用中受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统。
本发明还提供一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的方法。
本发明采用如下技术方案：
改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统，包括：激光器、偏振片、耦合透镜、光纤偏振控制器、光纤、微纳光纤和密闭透明腔体，其中：激光器位于光纤一侧，由激光器发出的激光经过偏振片和耦合透镜进入到光纤进行传输，光纤偏振控制器处于光纤中间部分，光纤末端一段长度拉制为微纳光纤，且微纳光纤的末端端面倾斜，微纳光纤垂直放置于密闭透明腔体内。
优选地，所述光纤偏振控制器采用共轴光纤偏振控制器，包括：光纤偏振器固定半圆、光纤固定螺母、光纤挤压螺母和光纤旋转台，其中：光纤偏振器固定半圆用于固定光纤偏振器；光纤固定螺母用于夹持光纤；旋转光纤挤压螺母用于对光纤产生挤压作用，转动光纤旋转台用于使光纤发生扭转。
优选地，所述光纤偏振控制器通过旋转光纤挤压螺母对光纤施加压力，转动光纤旋转台使光纤发生扭转，光纤挤压螺母和光纤旋转台共同作用使光纤产生连续可调的双折射效应，通过调节光纤挤压螺母和光纤旋转台的组合，将光纤中传输的激光偏振态转换为所需的偏振态。
优选地，所述光纤偏振控制器还包括：光纤旋转台固定螺母，用于固定光纤旋转台。
优选地，系统还包括实验观察模块，观察模块包括显微镜与记录器，观察模块放置于透明腔体一侧，显微镜和微纳光纤末端对准以观察并记录微纳光纤的偏转情况。
优选地，所述光纤采用单模光纤，材料采用二氧化硅、硫系玻璃。
优选地，所述微纳光纤为光纤末端拉制的长度大于10μm、直径小于1μm的微纳光纤，且微纳光纤末端的端面倾斜，倾斜角度为10°-90°，微纳光纤结构关于x-z或y-z平面不对称。
改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的方法，包括：
从微纳光纤的一端输入一定偏振态的激光，微纳光纤末端会沿着相应的方向发生偏折。
优选地，若在微纳光纤的一端输入左旋或右旋圆偏振激光，微纳光纤末端会发生偏折，且偏折方向为x轴和y轴之间的某一方向上。
优选地，其特征在于，若在微纳光纤的一端输入x偏振光或y偏振光，微纳光纤末端会向着x轴的方向发生偏转。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
(1)本发明通过调节输入微纳光纤的激光偏振，使得光纤末端发生偏折转变，不仅能够打破传统的单一非对称结构引起光力不平衡，还能够实现在光纤结构固定时，通过改变激励光源的偏振产生可控、多维度的光纤偏折。
(2)利用输入圆偏振激光激励在光纤末端产生两侧(x和y方向)均不为零的光力，使得微纳光纤末端部分在合力作用下向两侧均产生偏折，打破了传统单一结构不对称引起的光力不平衡，实现更加多维的光纤偏转。
(3)利用改变输入激光激励为x偏振(或y偏振)，在光纤末端产生某一个方向(光纤结构不对称方向)上不为零的光力，从而改变光纤末端偏转方向，实现更加灵活、可变的光纤偏转。
(4)在结构不发生改变的情况下，通过改变输入激光的偏振改变了微纳光纤末端偏转方向，提高了光纤偏转的灵活性，有利于产生更加多维度的光纤偏转，为微纳光纤的偏折提供新的方法和思路，拓宽了微纳光纤在实际中的应用场景。
总的来说，本发明包括如下优点：
本发明可以实现多维并且可控的光纤偏转，使得微纳光纤在输入圆偏振激光激励条件下末端向两侧均产生偏折，提供了一种新的光纤偏折方式；此外，可以通过先后输入不同偏振的激励光，使得微纳光纤末端的偏转方向发生变化，实现在结构保持不变情况下，微纳光纤末端产生更加灵活、可变的偏转；同时，本发明可以通过输入不同波长与功率的激光，实现不同程度的光纤末端偏转，拓宽了微纳光纤的应用场景。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的整体光路示意图；
图2为本发明一个实施例中光纤偏振控制器的俯视图；
图3为本发明一个实施例中光纤偏振控制器的前视图；
图4为本发明一个实施例中光纤偏振控制器的左视图；
图5为本发明一个实施例中微纳光纤部分局部放大示意图；
图6为本发明一个实施例中透明腔体立体图；
其中：
1-1为偏振片；1-2为耦合透镜；1-3为光纤；1-4为密封透明腔体；1-5为显微镜；1-6为记录器；1-7为微纳光纤。2-1为光纤偏振器固定半圆；2-2为光纤固定螺母；2-3为光纤挤压螺母；2-4为光纤旋转台；3-1为光纤旋转台固定螺母；6-1为微纳光纤伸入口；6-2为真空抽气孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。
一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统，包括：激光器、偏振片1-1、耦合透镜1-2、光纤偏振控制器、光纤1-3、密闭透明腔体1-4、显微镜1-5和记录器1-6、微纳光纤1-7。系统的具体结构如下：激光器位于光纤一侧，由激光器发出的激光经过偏振片和耦合透镜进入到光纤进行传输，光纤偏振控制器处于光纤中间部分，光纤末端一段长度拉制为微纳光纤，且微纳光纤的末端端面倾斜，微纳光纤部分垂直放置于一个密闭透明腔体内，显微镜与记录器放置于透明腔体一侧，显微镜和微纳光纤末端对准以观察并记录微纳光纤的偏转情况。
以下对系统中的几种器件进行详细说明：
(1)光纤偏振控制器。采用共轴光纤偏振控制器，两侧具有光纤固定螺母2-2，用于固定光纤；光纤偏振控制器可使输入光的任意偏振态转换为所需的任意偏振态，这是利用了应力使光纤产生连续可调的双折射效应，而双折射效应通过两种机制产生；光纤挤压螺母2-3对光纤产生挤压作用和光纤旋转台2-4使光纤产生扭转。
(2)光纤。采用单模光纤，材料可采用二氧化硅、硫系玻璃等。光纤末端拉制为长度大于10μm、直径小于1μm的微纳光纤，且微纳光纤末端的端面倾斜，倾斜角度为10°-90°，微纳光纤结构关于x-z或y-z平面不对称。微纳光纤垂直置入一个密闭的透明腔体内，并将腔内环境抽为真空，以避免空气等环境因素对实验产生干扰。
(3)激光器。光源采用单波长(350nm-2000nm)的连续光，由激光器产生的激光经过偏振片和耦合透镜后，耦合到光纤中传输。
(4)显微镜和记录器。显微镜和记录器(如相机或CCD等)共同组成实验观察模块，显微镜用于放大实验现象以便更明显地观察微纳光纤的偏折情况，并用相机或CCD等记录器来记录微纳光纤的偏折量。
一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的方法，包括：
通过在微纳光纤的一端输入左旋或右旋圆偏振激光，微纳光纤的另一端发生相应的偏折；将输入激光调节为x偏振(或y偏振)，微纳光纤末端的偏折方向会发生改变。
若在微纳光纤的一端输入左旋或右旋圆偏振激光，微纳光纤末端会发生偏折，且偏折方向为x轴和y轴之间的某一方向上；而若把输入的激光偏振调节为x偏振(或y偏振)，微纳光纤末端的偏折方向将转变为偏向x轴的方向。
下面通过两个具体实施方式对本发明作更进一步地说明。
实施例1
一种改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统，如图1-5所示，激光器位于光纤一侧，由激光器发出的激光经过偏振片和耦合透镜进入到光纤进行传输，光纤偏振控制器处于光纤中间部分，光纤末端一段长度拉制为微纳光纤，且微纳光纤的末端端面倾斜，微纳光纤部分垂直放置于一个密闭透明腔体内，显微镜与记录器放置于透明腔体一侧，显微镜和微纳光纤末端对准以观察并记录微纳光纤的偏转情况。
光纤采用单模光纤，材料为二氧化硅，折射率在532nm下约为1.46；光纤末端约15μm采用热拉伸法将其拉制为微纳光纤，直径约为500nm，并将微纳光纤的末端切割为倾斜端面，微纳光纤末端局部放大图如图5所示，微纳光纤结构关于y-z平面不对称。
光纤偏振控制器如图2～4所示，2-1为四个半圆用于固定光纤偏振器；两端的2-2光纤固定螺母用于夹持光纤，固定光纤位置不发生改变；2-3为光纤挤压螺母，2-4为光纤旋转台，旋转光纤挤压螺母对光纤施加压力、转动光纤旋转台使光纤发生扭转，这两种机制共同使光纤产生连续可调的双折射效应，通过调节这两种机制的组合，光纤中传输的激光偏振态转换为所需的右旋圆偏振态；3-1为光纤旋转台固定螺母，拧紧该螺母可使光纤旋转台固定不动。
微纳光纤垂直放置在一个密闭的透明腔体内，透明腔体采用亚克力材料，大小为10cm*10cm*10cm的正方体，如图6所示。透明腔体顶部的盖子有两个小孔，分别用于抽真空和放入微纳光纤，6-1为微纳光纤伸入口，6-2为真空抽气孔，两个孔均用密封胶进行密封。
激光器的光源采用532nm的连续光。激光器发出激光经过偏振片和耦合透镜后，耦合到光纤中传输。
显微镜和CCD组成实验观察模块。显微镜用于放大微纳光纤的偏折现象，CCD用于记录微纳光纤的偏折量。
微纳光纤结构如图5所示，输入圆偏振光之后，可以观察到微纳光纤末端发生偏折，且偏折方向位于x轴和y轴之间。
实施例2
本实施例与实施例1大体相同，不同之处在于，调节光纤偏振控制器，使得激光偏振转换为y线偏振态，并观察微纳光纤末端的偏折变化。微纳光纤结构如图5所示，y线偏振光在微纳光纤中传输，可以观察到微纳光纤末端向x轴方向发生偏折。
若在微纳光纤中传输的激光偏振先转换为圆偏振态，再转变为y偏振态，可以看到微纳光纤末端的偏转方向发生改变。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统，其特征在于，包括：激光器、偏振片、耦合透镜、光纤偏振控制器、光纤、微纳光纤和密闭透明腔体，其中：
激光器位于光纤一侧，由激光器发出的激光经过偏振片和耦合透镜进入到光纤进行传输，光纤偏振控制器处于光纤中间部分，光纤末端一段长度拉制为微纳光纤，且微纳光纤的末端端面倾斜，微纳光纤垂直放置于密闭透明腔体内；
所述光纤偏振控制器通过旋转光纤挤压螺母对光纤施加压力，转动光纤旋转台使光纤发生扭转，光纤挤压螺母和光纤旋转台共同作用使光纤产生连续可调的双折射效应；
所述系统实现在光纤结构固定时，通过改变激励光源的偏振产生可控、多维度的光纤偏折，包括：若在微纳光纤的一端输入左旋或右旋圆偏振激光，微纳光纤末端会发生偏折，且偏折方向为x轴和y轴之间的某一方向上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤偏振控制器采用共轴光纤偏振控制器，包括：光纤偏振器固定半圆、光纤固定螺母、光纤挤压螺母和光纤旋转台，其中：
光纤偏振器固定半圆用于固定光纤偏振器；光纤固定螺母用于夹持光纤；旋转光纤挤压螺母用于对光纤产生挤压作用，转动光纤旋转台用于使光纤发生扭转。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，通过调节光纤挤压螺母和光纤旋转台的组合，将光纤中传输的激光偏振态转换为所需的偏振态。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光纤偏振控制器还包括：光纤旋转台固定螺母，用于固定光纤旋转台。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括实验观察模块，观察模块包括显微镜与记录器，观察模块放置于透明腔体一侧，显微镜和微纳光纤末端对准以观察并记录微纳光纤的偏转情况。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤采用单模光纤，材料采用二氧化硅、硫系玻璃。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微纳光纤为光纤末端拉制的长度大于10μm、直径小于1μm的微纳光纤，且微纳光纤末端的端面倾斜，倾斜角度为10°-90°，微纳光纤结构关于x-z或y-z平面不对称。
8.改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的方法，其特征在于，基于权利要求1-7中任一项所述的改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统实现，包括：
从微纳光纤的一端输入一定偏振态的激光，微纳光纤末端会沿着相应的方向发生偏折，包括：若在微纳光纤的一端输入x偏振光或y偏振光，微纳光纤末端会向着x轴的方向发生偏转。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若在微纳光纤的一端输入左旋或右旋圆偏振激光，微纳光纤末端会发生偏折，且偏折方向为x轴和y轴之间的某一方向上。
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