CN112363320B - 一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤技术领域，公开了一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法，以便能够直接、高效的生成涡旋光束。本发明包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中传输，传输至单模光纤‑单包层多芯光纤熔接处并耦合至单包层多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模场，各个纤芯线偏振模场之间的相位具有相同差值且相位差总和为2πl，其中l为拓扑合数；双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。本发明适用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。

Description

一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法。

背景技术

转动物体具有角动量，而光也同样存在，并被定义为光自旋角动量和光轨道角动量。若光束中的光子具有光轨道角动量，光束则被称为光学涡旋光束，光束波前呈现为螺旋结构。光束波前的奇特结构是因为其传输表达式具有一个横向方位角的相位分布项exp(ilφ)，其中φ为方位角，l为拓扑荷数。拓扑荷数不为0且为整数时，其绝对值大小及正负性共同决定了光束横向的相位分布结构，从而光束波前会呈现出单螺旋、双螺旋、多螺旋等结构以及左旋或右旋的特征。由于涡旋光束具有额外的角向自由度，且因为拓扑荷数的变化，理论上具有无穷多个模态且互相正交，可承载互相独立的光信号。因此涡旋光束在光传输高密度信号有广阔应用前景。同时，涡旋光束轨道角动量具有机械效应，可以产生扭矩使物体移动旋转，可以应用于光操纵，光传感，且因其独特的光场结构使其具有独特的散射特性，因此涡旋光束在生物医学成像也具有非常大的应用潜力。

目前，涡旋光束可以在激光器谐振腔内直接调制生成涡旋光束，但成本高；利用空间相位板、空间光调制器等也可很便利地生成各类涡旋光，但空间光路较大且成本高。在光纤中生成与传输涡旋光束是目前的热点，不仅结构简单，通过光纤矢量模式的叠加得到相位分布纯度也更高。专利(201310030067.5、201310029915.0、201610130733.6、201711072397.5)公开了多种方法调制中央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。另有专利(201711070336.5)则是利用螺旋纤芯的周期性微扰，使得中央少模纤芯传输的低阶线偏振模转化为高阶相位涡旋模式。上述方法一般均使用特定长度的光纤端生成涡旋光束。专利(201611046969.8)利用在纤芯周围填充的压电材料加电产生径向压应力，使纤芯产生应力双折射，从而使光纤导模发生本征值分裂，优选某两正交模式出现±π/2相位差，则可产生涡旋光束。另外还有诸如专利(201910842591.X)等利用各类方法增大模式间的有效折射差，实现光纤中多种涡旋光的稳定传输，但并未提及涡旋光束的直接生成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：额外提供一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法，以便能够直接、高效的生成涡旋光束。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种光纤涡旋光束发生器，包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中传输，传输至单模光纤-单包层多芯光纤熔接处并耦合至单包层多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模场，各个纤芯线偏振模场之间的相位具有相同差值且相位差总和为2πl，其中l为拓扑合数；单包层多芯光纤将其纤芯线偏振模场耦合至双包层多芯光纤，双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。

进一步的，为了保证多芯光纤和双包层多芯光纤间的模场匹配，需尽量满足以下条件：

单包层多芯光纤和双包层多芯光纤的纤芯到光纤轴心的距离相等；单包层多芯光纤与双包层多芯光纤的纤芯尺寸相等；单包层多芯光纤数值孔径与双包层多芯光纤的纤芯-内包层数值孔径相等；单包层多芯光纤的纤芯模场直径小于双包层多芯光纤内包层的直径。

根据本发明的一种实施方式可知，4种光纤中均掺杂了用于重构光纤内部折射率分布的掺杂剂，该掺杂剂在热扩散过渡方式下可构建光纤间统一的三维折射率过渡区；形成了三维折射率过渡区的部位包括单模光纤和多芯光纤的熔接处，以及双包层多芯光纤和环形芯光纤的熔接处。相应的，这种光纤涡旋光束发生器的制备方法，包括了以下步骤：

(1)依次将单模光纤、多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤直接进行熔接；

(2)在单模光纤光强和单包层多芯光纤的熔接处，以及双包层多芯光纤及环形芯光纤的熔接处，均施加均匀的缓变梯度温度场，以构建光纤间统一的三维折射率过渡区。

根据本发明的另一种实施方式可知，单模光纤和多芯光纤间的熔接通过熔融拉锥方式熔接，双包层多芯光纤和环形芯光纤均掺杂了用于重构光纤内部折射率分布的掺杂剂，该掺杂剂在热扩散过渡方式下构建了光纤间的三维折射率过渡区。相应的，这种光纤涡旋光束发生器的制备方法，包括了以下步骤：

(1)依次将单模光纤、多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤直接进行熔接；其中，单模光纤和多芯光纤间的熔接通过熔融拉锥方式熔接；

(2)在双包层多芯光纤及环形芯光纤的熔接处，施加均匀的缓变梯度温度场，以构建光纤间统一的三维折射率过渡区。

具体的，本发明所采用的掺杂剂包括但不限于锗材料。

本发明的有益效果是：由于本发明提供的光纤涡旋光束发生器及其制备方法，不用制备复杂且特殊的光纤波导，采用简易的熔接且依靠模式耦合转化得到涡旋光束，并且利用热扩散方式可有效提高转化效率。本发明相较于其他涡旋光束生成传输方法，其成本非常低廉，由多种并不特殊的光纤构成，非特殊光纤除参数需要选择外，成本不到千元，规模应用不过百。且制备方法仅用到通用的熔接和施加温度梯度场(加热)，氢氧焰设备单台可至少万小时使用。因此本发明与目前的专利明显方法思路不同，具有自身易见的优势。

附图说明

图1是基于热扩散过渡的光纤涡旋光束发生器的工作原理示意图。

图2-图5是涡旋光束发生器未经过热扩散过渡处理的各光纤波导的折射率分布示意图：其中，图2中(a)、(b)分别为单模光纤折射率分布二维和一维示意；图3中(a)、(b)分别为四芯光纤折射率分布二维和三维示意；图4中(a)、(b)分别为双包层四芯光纤折射率分布二维和一维示意；图5中(a)、(b)分别为环形芯光纤折射率分布二维和一维示意。

图6是涡旋光束发生器双包层四芯光纤和环形芯光纤熔接处形成的缓变三维折射率过渡区折射率变化示意图，其中(a)为过渡区在轴向的整体折射率变化示意；(b)-(f)为过渡区不同轴向位置的横向切片折射率分布示意。

图7是涡旋光束发生器涡旋光束生成过程中的强度分布变化(a1-e1)和相位分布变化(a2-e2)切片示意图。

图8是涡旋光束发生器涡旋光束生成过程的模场转化功率耦合曲线示意图。

图9是涡旋光束发生器制备示意图。

图10是涡旋光束发生器生成的涡旋光束在自由空间传输的相位切片分布示意图。

图11是采用熔融拉锥方式完成入射光耦合的涡旋光束发生器工作原理示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种可生成、传输涡旋光束的全光纤式涡旋光束发生器及其制备方法，可用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。与其他相关技术相比，本发明是通过双包层多芯光纤中具有特定相位差的纤芯模场在与环形芯光纤发生耦合的过程中进行模场相位调制转换，完成低阶线偏振模式与高阶涡旋模式之间的转化，从而产生涡旋光束。此外，我们可以通过不同光纤的匹配，利用热扩散过渡方式，制备出多种高效转化不同高阶涡旋场的涡旋光束发生器。

本发明的光纤涡旋光束发生器，包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中稳定传输，传输至单模光纤-单包层多芯光纤熔接处并耦合至多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模式。单包层多芯光纤的纤芯线偏振模场向双包层多芯光纤进行耦合时，双包层多芯光纤保证了各个纤芯模场耦合传输强度几乎无损，且相位差恒定不变。最后，双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。而相位分布则因为各纤芯之间的恒定相位差逐步融合成涡旋光束相位分布形态，从而完成低阶线偏振模向高阶涡旋光束的耦合转化。

上述涡旋光束发生器的制备方法可这样：

(1)依次将单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤直接进行熔接。

(2)在单模光纤光强和单包层多芯光纤的熔接处，以及双包层多芯光纤及环形芯光纤的熔接处，均施加均匀的缓变梯度温度场，即用热扩散过渡方式构建光纤间统一且足够缓变的三维折射率过渡区。

热扩散过渡方式可在不改变光纤尺寸的情况下重构光纤内部折射率分布，光纤初始的掺杂剂在缓变梯度温度场的作用下，其分布向更加稳定的高斯分布转变，因此这种转变可实现不同光纤向同一高斯折射率分布模场的绝热转变，且模场在足够缓变的梯度温度场中传输归一化频率不变。若改变入射波长，则整个光纤链路上的模场同步地改变，几乎不会影响整体的模场耦合效率。即基于热扩散过渡的涡旋光束发生器对传输波长不敏感，表现出宽带的波长无关性。

另外，作为一种替代方式，单模光纤光强和多芯光纤间的熔接也可通过熔融拉锥方式完成。

下面通过附图和说明书对本发明做进一步说明。

实施例一：

如图1所示，本实例所示的一种基于热扩散过渡的光纤涡旋光束发生器包含单模光纤1、单包层四芯光纤2、双包层四芯光纤3和环形芯光纤4。4种光纤均掺杂有锗材料，且依次熔接在一起。

单模光纤1和单包层四芯光纤2的熔接处在施加的均匀的缓变梯度温度场作用下，图2所示单模光纤1的折射率分布结构和图3所示单包层四芯光纤2的折射率分布结构，在轴向上共同形成缓变三维折射率过渡区5。同理，双包层四芯光纤3和环形芯光纤4的熔接处在施加的均匀的缓变梯度温度场作用下，图4所示双包层四芯光纤3的折射率分布结构和图5所示环形芯光纤4的折射率分布结构，在轴向上共同形成缓变三维折射率过渡区6。其中三维折射率过渡区6的具体折射率变化结构如图6所示。

当起偏后的线偏振基模7入射单模光纤1并在其中稳定传输至三维折射率过渡区5后，线偏振基模7会逐渐耦合转化成四个在单包层四芯光纤2纤芯中稳定传输的线偏振基模。这四个基模在单包层四芯光纤2折射率分布结构下(如图3所示)，会形成四个强度一致但相位分别为

的模场，其中

为初始相位。四个模场两两间的相位差为π/2，且相位差总和为2π×1，数值1即拓扑合数l为1，代表了最终形成的涡旋光束旋转方向为右旋。如同样四个模场的相位为

则拓扑合数为-1，代表了最终形成的涡旋光束旋转方向为左旋。单包层四芯光纤2四个纤芯基模的强度分布和相位分布如图7(a1)、(a2)所示。

因为双包层四芯光纤3和单包层双芯光纤2的几何特征一致(如图3-图4所示的轴心距a和纤芯直径b相同)，且单包层四芯光纤2数值孔径与双包层四芯光纤3的纤芯-内包层数值孔径相等，两光纤直接进行熔接且耦合效率可得到保障。最终双包层四芯光纤3所传输的四个纤芯基模仍然保持如图7(a1)、(a2)所示的强度和相位分布。

双包层四芯光纤3传输的四个纤芯基模再通过三维折射率过渡区6向环形芯光纤耦合并进行模场相位调制转换，四个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场8。而相位分布则因为各纤芯之间的恒定相位差逐步融合成涡旋光束相位分布形态，从而完成低阶线偏振模向高阶涡旋光束8的高效耦合转化。涡旋光束生成过程的强度变化如图7(a1)-(e1)所示，四个纤芯光场耦合变换为环形光场。相位变化如图7(a2)-(e2)所示，具有恒定差值的纤芯相位逐渐融合成涡旋相位。模场转化功率耦合曲线如图8所示，虚线所示为涡旋光束生成过程的功率变化，实线为普通环形光的功率变化，可看出普通环形光功率为0，四芯光纤的纤芯模场功率全部转化为涡旋光束。

基于热扩散过渡的光纤涡旋光束发生器的制备过程可分为以下2个步骤(如图9所示)：

(1)依次将单模光纤1、单包层四芯光纤2、双包层四芯光纤3及环形芯光纤4直接进行熔接，依次形成熔接点10、11、12。

(2)将熔接好的光纤夹持在轴向旋转台13上进行旋转，并移动氢氧焰14分别在熔接点10和12处进行加热，以施加均匀的缓变梯度温度场，即用热扩散过渡方式构建统一且足够缓变(一般为厘米量级长度，例如3-5cm)的三维折射率过渡区5和6。基于热扩散过渡的光纤涡旋光束发生器制备完成。

在自由空间传输的涡旋光束如图10所示，相位成涡旋状，且在自由空间传输过程中进行旋转。

实施例二：

如图11所示，本实施例所示的基于热扩散过渡的光纤涡旋光束发生器的结构与实施例一基本相同，两者的区别在于：制备时，单模光纤1和单包层四芯光纤2间的熔接耦合不再采用热扩散过渡的方式，而是在步骤(1)直接采用熔融拉锥耦合的方式进行，图11中编号9为熔融拉锥耦合点，本实施中单模光纤1和单包层四芯光纤2不用掺杂。

Claims (6)

1.一种光纤涡旋光束发生器，其特征在于，包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；

起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中传输，传输至单模光纤-单包层多芯光纤熔接处并耦合至单包层多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模场，各个纤芯线偏振模场之间的相位具有相同差值且相位差总和为2πl，其中l为拓扑合数；单包层多芯光纤将其纤芯线偏振模场耦合至双包层多芯光纤，双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。

2.如权利要求1所述一种光纤涡旋光束发生器，其特征在于，单包层多芯光纤和双包层多芯光纤的纤芯到光纤轴心的距离相等；单包层多芯光纤与双包层多芯光纤的纤芯尺寸相等；单包层多芯光纤数值孔径与双包层多芯光纤的纤芯-内包层数值孔径相等；单包层多芯光纤的纤芯模场直径小于双包层多芯光纤内包层的直径。

3.如权利要求1或2所述一种光纤涡旋光束发生器，其特征在于，4种光纤中均掺杂了用于重构光纤内部折射率分布的掺杂剂，该掺杂剂在热扩散过渡方式下可构建光纤间统一的三维折射率过渡区；形成了三维折射率过渡区的部位包括：单模光纤和单包层多芯光纤的熔接处，以及双包层多芯光纤和环形芯光纤的熔接处。

4.如权利要求1或2所述一种光纤涡旋光束发生器，其特征在于，单模光纤和单包层多芯光纤间的熔接通过熔融拉锥方式熔接，双包层多芯光纤和环形芯光纤均掺杂了用于重构光纤内部折射率分布的掺杂剂，该掺杂剂在热扩散过渡方式下构建了光纤间的三维折射率过渡区。

5.用于权利要求3所述光纤涡旋光束发生器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)依次将单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤直接进行熔接；

(2)在单模光纤和单包层多芯光纤的熔接处，以及双包层多芯光纤及环形芯光纤的熔接处，均施加均匀的缓变梯度温度场，以构建光纤间统一的三维折射率过渡区。

6.用于权利要求4所述光纤涡旋光束发生器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)依次将单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤直接进行熔接；其中，单模光纤和多芯光纤间的熔接通过熔融拉锥方式熔接；

(2)在双包层多芯光纤及环形芯光纤的熔接处，施加均匀的缓变梯度温度场，以构建光纤间统一的三维折射率过渡区。

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