CN110989086A - 一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜。其特征是：它由单模光纤1、七芯光纤2、无芯光纤3、达曼波带片4和消色差聚焦透镜5组成。所述的组成中，达曼波带片4是在无芯光纤3纤端用飞秒加工系统直接加工而成。达曼波带片加工完成后，需要在波带片上贴一个与达曼波带片尺寸相当的消色差聚焦透镜5，用于消色差。本发明可用于制备基于光纤的多焦点衍射透镜，可广泛用于单细胞的操纵及分析、微机电系统实时监测、光成像以及光通讯等领域。

Description

一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜

技术领域

本发明涉及的是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜，可用于制备基于光纤端的等强度多焦点衍射透镜，可用于激光探测、激光直写、三维测量、粒子操控、光纤通信等领域，属于纤维集成光学技术领域。

背景技术

激光的产生、传输变换和控制，以及激光和物质的相互作用构成了激光技术领域的主要研究内容。激光束的变换及其应用是当今世界激光领域研究前言之一。

然而,激光光束能量一般呈高斯分布,在诸如激光焊接、生物医学工程等技术领域,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积,从而破坏材料特性,影响加工效果的一致性。特别是在金属材料加工过程中,这种热累积效应会导致微裂纹、重铸层、再结晶等加工缺陷,极大的制约了激光微加工技术在航空、航天等对器件可靠性要求较高领域的应用。因此,需要将高斯光束进行整形以消除不良影响。

20世纪60年代，人们首次提出了集成光学的概念，从此揭开了光学元件及系统的微型化研究序幕。随着信息科技的不断进步，光学器件正朝着微型化、集成化方向发展，并不断开辟光学领域的新视野。随着集成光学的不断发展，一些光波分复用器、光开关以及激光器都可以集成在一个微小芯片上，将各个功能集成到一起，大大减小了系统结构。

二元光学是近年来兴起的前沿学科，是实现激光束变换的重要手段，激光束的二元变换及其应用是激光技术领域的一个重要分支学科。二元光学基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，在基片(或传统光学元件表面)上刻蚀产生的两个或者多个台阶浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。与传统光学元件相比，二元光学元件在实现高功率激光束变换方面具有高效率、任意波面变换、易于复制和集成等特点。

光纤作为一种低损耗、可远距离传光的元件，在光纤器件和光纤传感方面得到了广泛的应用。由于光纤发散角很大，导致出射光在一段距离后损失很大，严重影响了实验的灵敏度。需要在光纤端面外加透镜组或自准直透镜来减小其发散角，但这种结构尺寸在毫米，尺寸远远大于光纤尺寸。由于这种因为系统太大，无法深入微小孔内，不利于在使用例如在微孔测量的实验。这时需要在光纤端面上直接制作微透镜即“光纤微透镜”，来实现光束的整形及变换。

2011年，李兵等人公开了等位相等光强分束达曼光栅及其制备方法。首先，根据分束光斑数目要求选定需要制作的等位相等光强分束达曼光栅分束比；接着，选取光栅周期长度以及每一周期内位相突变的坐标值；最后利用电子束直写制作母版，通过接触式光刻法,将母版图案转移到涂有光刻胶和铬膜的光学玻璃，利用湿法刻蚀方法,将图案刻蚀到铬层,最后刻蚀到光学玻璃上。这种方法制作的达曼光栅尺寸较大，不易集成。

2018年，赵复生等人公开了一种端面带有菲涅尔透镜的光纤及其应用的传感器(申请号201821263256.1)。首先刚性基底上刻透镜结构的反模型，然后用硅烷处理透镜结构模型及基底，方便结构脱离。再将液态PDMS涂布于基底表面的防粘图层上，充分除去气体，加热PDMS使其固化，最后使用氧气等离子活化PDMS结构及光纤体端面，将光纤体对准菲涅尔透镜中心插在PDMS结构上直至两者形成永久的粘合，再使用刀片将多余的PDMS结构去除掉，完成端面带有菲涅尔透镜的光纤的制备。利用PDMS在光纤端面制作透镜，需要制作掩膜版，还要经过浇铸、固化、光纤对准等一系列繁琐的步骤，过程繁琐、复杂。

2019年，邵华江等人公开了一种可调双焦点的微透镜阵列，基于微透镜阵列实现长焦深特性，基于微型曲面分光特性，通过沿微透镜阵列柱面交线方向旋转，配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距可调，并大幅增长双焦点聚焦光束焦深。虽然实现了可调双焦点的功能，侧面镜由几十至上百个微柱面型阵列单元构成，体积大、结构复杂。

传统的波带片产生的多焦点是从底到高衍射级次之间的间隔是逐步减小的。圆环形达曼光栅可以看作将达曼相位编码的思想引入到圆光栅中，从而使圆光栅的衍射光场的能量重新分配到几个想要的衍射级次上，即几个脉冲环上。将圆环达曼光栅的思想引入波带片结构中，在聚焦系统后场将会产生轴向的多个等强度衍射级次，即等强度多焦点衍射系统。

本发明公开了一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜，将达曼波带片集成到光纤端，可用于单细胞的操纵及分析、微机电系统实时监测、光成像以及光通讯等领域。在七芯光纤的一端焊接一段单模光纤用于激光输入，另一端焊接一段无芯光纤用于光场调控，在无芯光纤纤端利用飞秒加工技术直接加工达曼波带片，最后，在波带片上贴一个与其尺寸相当的聚焦透镜，用于消相差，即可完成基于光纤的等强度多焦点衍射透镜制备。与在先技术相比，本发明通过将光纤端集成达曼波带片，用光纤实现了在轴向产生多个等强度、多焦点衍射级次，可用于多个细胞的捕获；利用飞秒激光加工系统直接在光纤端加工二元达曼光栅，集成度高，体积小，易于使用；利用飞秒激光加工技术，精度高、加工周期短且成品率高，可用于批量生产。

发明内容

本发明的目的在于提供用于光束的多圆环整形且结构简单、加工方便、精度高、成品率高的光纤透镜。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜。其特征是：它由单模光纤1、七芯光纤2、无芯光纤3、达曼波带片4和消色差聚焦透镜5组成。将七芯光纤 2进行拉锥至锥区直径和单模光纤1相同，用切割刀从锥腰出切断并与单模光纤 1焊接。七芯光纤2的另一端焊接一段无芯光纤3后，用定长度切割系统修剪，取最优无芯光纤长度。达曼波带片4是在无芯光纤3纤端用飞秒加工系统直接加工而成，达曼波带片4加工完成后，需要在波带片上贴一个与达曼波带片尺寸相当的聚焦透镜，用于消色差。

无芯光纤的长度为L，优选的L为400μm。

所述的单模光纤1为普通单模光纤，包层外径为125μm，纤芯直径为9 μm。所述的七芯光纤2的尺寸优选为包层外径为125μm，中间纤芯直径为6μm，芯间距42μm。

七芯光纤2也可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、六芯光纤、同轴双波导光纤等多芯光纤。

无芯光纤3可以是大芯径渐变折射率光纤。

无芯光纤3的纤端达曼波带片由飞秒激光加工系统雕刻而成，达曼波带片4设计方法：

根据Richards–Wolf衍射积分理论，任意数值孔径聚焦下沿光轴方向的聚焦光场可写为：

令

且t＝cosθ，于是(1)可以改写为

设σ＝t-(1+cosα)/2，并忽略常系数项，则式(2)可以表示为

传统的波带片可以看作想多径向周期平方的一维光栅。若θ足够小，即低数值孔径，式(2)中t＝cosθ∝r²,因而在低数值孔径情况下轴向聚焦光场相对r²一维光栅即波带片结构之间存在近似傅里叶变换关系。因此，可以将达曼光栅的周期编码细节加入这种波带结构，在聚焦系统后光场将会产生轴向的多个等强度衍射级次，即等强度多焦点系统。对于高数值孔径，将波带片结构修改为相对t＝cosθ具有周期性，并类似达曼光栅在每个周期内加入相位转折点，即可形成高数值孔径下的达曼波带片。

那么，整个聚焦系统焦点附近的轴向电场分布在德拜近似下可以表示为：

其中，

为达曼波带片的透过率函数。定义中心区域的相位π，则

可以写为：

其中，

为归一化径向坐标；{s_n}为DZP各环区归一化半径，其中s₀＝0，s_Nall＝1；Nall是环区的总数目；

可以表示为：

利用轴向聚焦光场傅里叶变换公式(2)，加入达曼波带片之后轴向光场场实质上可以表示为T_DZP(σ)和G(σ)的两个一维傅里叶变换的卷积：

其中，

表示卷积；

表示傅里叶变换。

由(8)式可知，其关系式本质上与一维达曼光栅一样。因此，将达曼光栅的相位调制思想引入，即为达曼波带片。

达曼波带片设计流程为：

(1)确定轴向焦斑数量N；

(2)由对应的1×N一维达曼光栅相位转折点数据得到波带片“周期”内的归一化相位转折点。

(3)计算二元相位型达曼波带片相对在区间

内所有相位转折点的值。

(4)通过关系式σ＝t-(1+cosα)/2得到达曼波带片相对t的所有相位转折点；

(5)通过关系式

得到达曼波带片相对s的所有相位转折点,即归一化半径{s_n}的值，其中n＝0,1,…,N,N_σ+1；确定了{s_n}的值，即确定了二元相位型达曼波带片的结构。

达曼波带片4也可以是闪耀光栅或阵列光栅。

焦斑数量N，优选N为2，对与直径125μm的无芯光纤，优选环带周期数为10，由内向外环带半径值(单位：μm)分别为：14，19.5，24.2，28，31.2， 34.2，37，39.5，41.9，44.2，46.4，48.1，50.4，52.3，54.1，55.9，57.6，59.3， 61，62.5。

优选的，激光器波长为633nm，消色差聚焦透镜数值孔径为0.1，波带刻蚀深度为2.36μm

附图说明

图1是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的光纤结构示意图。其中 1是单模光纤，2是同轴双波导光纤，3是无芯光纤，4是达曼波带片，5是消色差聚焦透镜。

图2是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的光纤中光线轨迹示意图。 201是七芯光纤2中的光线轨迹，202是光在无芯光纤3中的轨迹。

图3是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的波带片结构示意图。

图4是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的波带片原理图。4是达曼波带片，5是消色差聚焦透镜，401是焦点。

图5是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的无芯光纤端二元衍射透镜示意图。3是无芯光纤，R₁是光纤端二元衍射透镜的第一个环带半径，R_n是光纤端二元衍射透镜的第n个环带半径。

图6是一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜的制备过程。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：基于光纤的多焦点衍射透镜制备过程。

基于光纤的多焦点衍射透镜光纤焊接过程如图5所示：

步骤1：将七芯光纤2插入合适的石英毛细管501内，使用氢氧焰502 生成高温区，使石英毛细管501软化，实现熔融拉锥，石英毛细管501变细，在锥腰处的纤芯直径减小至和单模光纤1相等，内部的七芯光纤2的纤芯直径减小至9-10微米，和单模光纤1纤芯相同；

步骤2：在步骤1拉制得到的锥体，使用切割刀503在锥腰处切割；

步骤3：将步骤2中切割得到的锥体与单模光纤1对准，采用电极504 产生的高温区进行二者的熔接，完成单模光纤1与七芯光纤2的焊接。

步骤4：取一段无芯光纤3，在步骤3制得的光纤基础上，采用电极504 产生的高温区将无芯光纤3熔接至七芯光纤2另一端。

步骤5：利用定长度切割系统对无芯光纤3的长度进行切割，取最优长度。

无芯光纤3纤端达曼光栅4的飞秒系统加工步骤：

步骤1：将焊接好的光纤用酒精擦拭除尘，然后将光纤放入飞秒微加工系统的位移台上。

步骤2：设置频率为60KHz，功率为6mW，选择50×，数值孔径0.42 的物镜，使飞秒激光通过显微物镜聚焦到光纤端表面。

步骤3：在自己编写的上位机软件上画出图形并生成可执行代码，并执行代码。执行完成后光纤端有两个部分，一部分为未改性的部分，另一部分为改性后的部分。

步骤4：将利用飞秒激光扫描加工后的样品置于浓度5％的氢氟酸溶液，超声波清洗机辅助腐蚀，腐蚀约25min。

在制作好光纤端达曼光栅后，在达曼光栅表面贴一个与其尺寸相近的聚焦透镜，用于消色差。

Claims (5)

1.一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜。其特征是：它由单模光纤1、七芯光纤2、无芯光纤3、达曼波带片4和消色差聚焦透镜5组成。将七芯光纤2进行拉锥至锥区直径和单模光纤1相同，用切割刀从锥腰出切断并与单模光纤1焊接。七芯光纤2的另一端焊接一段无芯光纤3后，用定长度切割系统修剪，取最优无芯光纤长度。达曼波带片4是在无芯光纤3纤端用飞秒加工系统直接加工而成，达曼波带片加工完成后，需要在波带片上贴一个与达曼波带片尺寸相当的聚焦透镜，用于消色差。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜，其特征是：七芯光纤2也可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、六芯光纤、同轴双波导光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜，其特征是：无芯光纤3也可以是大芯径渐变折射率光纤。

4.根据权利要求1所述的达曼波带片4，其特征是：需要刻蚀的波带，其刻蚀深度为2.36μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的等强度多焦点衍射透镜，其特征是：达曼波带片4也可以是闪耀光栅或阵列光栅。

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