CN112068319A - 一种基于光纤的光束整形衍射透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤的光束整形衍射透镜。其特征是：它由激光器1、多芯光纤连接器2、七芯光纤3、无芯光纤4、二元环形达曼光栅5组成。所述的组成中，二元环形达曼光栅5是在无芯光纤4纤端用飞秒加工系统直接加工而成。本发明可用于制备基于光纤的光束整形衍射透镜，可广泛用于光计算、精密测量、成像系统及光通讯等领域。

Description

一种基于光纤的光束整形衍射透镜

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于光纤的光束整形衍射透镜，可用于制备基于光纤的衍射透镜，可用于光计算、精密测量、成像系统及光通讯等领域，属于纤维集成光学技术领域。

(二)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。激光束的变换是当今世界激光领域研究前沿之一，二元光学是实现激光束变换的重要手段。

透镜是传统光学上重要的组成部分之一，也朝着更加微型化方向发展，例如王进报道了MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺(王进.MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺[J].仪表技术与传感器，2019(10):5-7.)。微透镜尺寸小，易集成，广泛的用在光操纵(YuanL,Liu Z,Yang J,et al.Twin-core fiber optical tweezers[J].Optics Express,2008,16(7):4559-66.)以及光学成像(刘嘉楠.微透镜阵列积分视场成像光谱仪的研究与设计[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)，2019.)等领域。

随着集成光学的不断发展，一些波分复用器、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，减小了系统结构。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。因此在光纤端面上直接加工微透镜即“光纤微透镜”，来实现激光束的变换，可以进一步减小器件的尺寸。

2017年，周常河等人公开了可产生暗环的圆环达曼光栅(公开号CN107272100A)，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构。用于粒子和细胞光学操控等场合。

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。再将液态聚二甲基硅氧烷(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。

2019年，蒋金宏等人报道了采用楔形截顶光纤微透镜代替分立式透镜的直接耦合的方法，得到斜面倾角0.6rad、耦合距离60μm、半宽度15μm的楔形截顶光纤端面模型。(蒋金宏,李勇奇,吕欢祝,金琪,张克非.基于DFB激光器的楔形截顶光纤微透镜耦合结构[J].激光技术,2019,43(05):65-69.)

此外，光纤微透镜的制备方法还有很多，例如，拉锥法、化学腐蚀等。

光刻和干法刻蚀过程繁琐，且成本高；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；化学腐蚀法制作的光纤锥形微透镜表面较为粗糙、机械强度较差、也会使得光强受到较大的损失；热熔拉锥法不易控制其尺寸。

本发明公开了一种基于光纤的光束整形衍射透镜，将光纤中传输的光整形成在夫琅禾费衍射场实现各衍射级次等光强分布的圆环形衍射场。将二元圆环形达曼光栅通过飞秒激光器加工到光纤端，尺寸进一步缩小，可广泛用于光计算、精密测量、成像系统及光通讯等领域。在七芯光纤一端通过光纤连接器接激光器用于光场输入，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二元圆环形达曼光栅，即完成基于光纤的光束整形衍射透镜。圆环达曼光栅可以看作是讲达曼相位编码的思想引入到圆光栅中，从而使得衍射光场的能量重新分配到几个想要的衍射级次上。与在先技术相比，本发明利用飞秒激光加工系统直接在光纤端加工二元圆环形达曼光栅，尺寸小且使用方便；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。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、加工方便、精度高且成品率高的基于光纤的光束整形衍射透镜及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤的光束整形衍射透镜。其特征是：它由激光器1、多芯光纤连接器2、七芯光纤3、无芯光纤4、二元环形达曼光栅5组成。七芯光纤3的一端通过光纤连接器与激光器1相连，激光器1用于光场输入，七芯光纤3的另一端焊接一段无芯光纤4用于光场调控。七芯光纤3与无芯光纤4焊接后，用定长度切割系统修剪，取最优无芯光纤长度。二元达曼光栅5是在无芯光纤4纤端用飞秒激光加工系统直接雕刻而成。

无芯光纤的长度为L，优选的L为550μm。

所述的七芯光纤3的尺寸优选为包层直径为125μm，纤芯直径8μm，芯间距42μm。

七芯光纤3也可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、六芯光纤、等多芯光纤。

无芯光纤4可以是大芯径渐变折射率光纤或大芯径多模光纤。

无芯光纤4的纤端二元环形达曼光栅5由飞秒激光加工系统雕刻直接而成其设计方法为：

一个圆光栅可以通过一个一维线光栅绕其中心旋转一周得到，用旋转积分可表示为R{·},即：

其中

为光栅平面内极坐标；f(x)为一维周期函数。

设g(r)为一个径向周期函数，可通过一维周期函数f(x)的旋转积分得到，且G(ξ)为径向周期函数g(r)的Hankel变换谱，以及傅里叶变换可得到径向周期函数g(r)的二维傅里叶变换谱G(ξ)可以写为：

则，g(r)可以写为：

由傅里叶变换和Hankel变换可得，径向周期函数g(r)的二维傅里叶变换谱G(ξ)为：

因此，具有径向对称的圆环达曼光栅的透过率函数可以分解为一系列的圆余弦函数，即：

其中C_m的表达式与一维达曼光栅完全一致。对于二元π相位结构，它可以表示为：

其中{r_n}为一个周期内的相位转折环的归一化半径，且_r0＝0,r_N＝1。

第m个衍射级次对应的脉冲环的强度为：

M阶的二元达曼光栅其优化函数值可表示为：

阶数为8时，且衍射场环数为9时，二元达曼光栅各圆环R₁～R₈半径为：6.0μm、12.1μm、18.1μm、24.4μm、30.3μm、37.3μm、42.8μm、55.4μm。

二元达曼光栅5制作：在奇数半波上带用飞秒激光微加工系统刻蚀深度为dμm的环形槽，使之与奇数半波带产生π的相位差，优选的，d为1.75μm。

本发明具有以下显著优势：

(1)系统结构简单，尺寸小且使用方便。

(2)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。

(四)附图说明

图1是一种基于光纤的光束整形衍射透镜的光纤结构示意图。其中1是激光器、2是多芯光纤连接器、3是七芯光纤、4是无芯光纤、5是二元环形达曼光栅。

图2是一种基于光纤的光束整形衍射透镜的光纤中光线轨迹示意图。201是七芯光纤3中的光线轨迹，202是光在无芯光纤4中的轨迹。

图3是一种基于光纤的光束整形衍射透镜相位片结构平面示意图。

图4是一种基于光纤的光束整形衍射透镜相位结构示意图。

图5是一种基于光纤的光束整形衍射透镜的飞秒加工过程示意图。其中5-1是飞秒激光器，5-2是衰减器，5-3是扩束镜，5-4是孔径光阑，5-5是二向色镜，5-6是CCD，5-7是滤光片，5-8是物镜，5-9是光纤，5-10是计算机，5-11是位移台。

(五)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。

七芯光纤3用于传输光场，无芯光纤4焊接在七芯光纤3的末端，用于对出射光场进行预调控，经过无芯光纤4内的光束扩散，出射光场经过无芯光纤端的二元环形达曼光栅5后形成特殊的衍射透镜。可以在夫琅禾费衍射场实现各衍射级次等强分布的圆环形衍射场。由于很多光学系统是圆对称的，因此本发明可以很好的预光学系统匹配，且光纤尺寸很小，可以很大程度的减小器件尺寸。

实施例1：基于光纤的二元衍射透镜制备过程。

基于光纤的光束整形衍射透镜光纤焊接步骤：

步骤1：取一段七芯光纤和一段无芯光纤，将其端面切平，用酒精去除端面杂质；

步骤2：将两段光纤对准，用电极产生的高温区进行二者的熔接，完成七芯光纤3与无芯光纤4的焊接；

步骤3：利用定长度切割系统对无芯光纤4的长度进行切割，取最优长度。将七芯光纤3一端与光纤连接器2相连，用于七芯光纤3各纤芯的光场输入；

飞秒加工系统示意图如图5所示。

无芯光纤4纤端二元环形达曼光栅5的飞秒系统加工步骤：

步骤1：开启飞秒加工系统，物镜5-8选择参数为50×，数值孔径为0.42；

步骤2：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5-11上；

步骤3：在计算机5-10上设置频率为60kHz，功率为0.4mW；设置位移台移动速度0.1mm/s，使飞秒激光通过显微物镜5-8聚焦到光纤端表面；飞秒激光加工端面过程可以通过CCD 5-6实时监测。

步骤4：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5：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。

Claims (4)

1.一种基于光纤的光束整形衍射透镜，其特征是：它由激光器(1)、多芯光纤连接器(2)、七芯光纤(3)、无芯光纤(4)、二元环形达曼光栅(5)组成，七芯光纤(3)的一端焊接一段无芯光纤(4)后，用定长度切割系统截取最优无芯光纤长度，另一端通过光纤连接器(2)连接输入光场的单模光纤，二元环形达曼光栅(5)是在无芯光纤(4)纤端用飞秒加工系统直接加工而成。

无芯光纤(4)用于对出射光场进行预调控，光经过无芯光纤(4)内的光束扩散，出射光场经过无芯光纤端的二元环形达曼光栅(5)后可以在夫琅禾费衍射场实现各衍射级次等强分布的环形衍射场。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光束整形衍射透镜，其特征是：所述的七芯光纤(3)，也可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、六芯光纤以及同轴双波导光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光束整形衍射透镜，其特征是：无芯光纤(4)也可以是大芯径渐变折射率光纤或大芯径多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光束整形衍射透镜，其特征是：所述的二元环形达曼光栅(5)，飞秒激光加工区域的刻蚀深度范围为0～3μm。

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