CN113687464A - 光纤螺旋天线波场转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述器件由一段带有长周期光纤光栅1的环形芯光纤2、纤端中央的螺旋天线3组成；其中，环形芯光纤2的纤端经研磨形成纤端圆锥台4，环形芯光纤2包含外包层5、环形纤芯6、内包层7；输入光8注入到环形芯光纤2后形成低阶传导模式9，经长周期光纤光栅1调制后转化成径向偏振模式10传输经过纤端圆锥台4时在外包层5与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波11在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端聚焦，在聚焦处产生相长干涉12，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场13，纵向偏振光场13受到螺旋天线4调制后输出圆偏光场14。本发明可用于波场转换、信号检测和光操纵等领域。
Description
(一)技术领域
本发明提供的是光纤螺旋天线波场转换器，本发明可用于波场转换、和光操纵等领域。
(二)背景技术
光纤纤端的微结构是一种新兴的光学操纵平台，它能在纳米尺度上实现光转换、光耦合、光束整形、光学传感等功能，是将光纤与微纳技术相结合的一种高效方法。得益于光纤纤端横截面的微型尺寸和超高纵横比，使其在远程和受限环境中工作成为可能，而纤端的生物相容性、高机械强度使其成为多种功能材料和特殊结构的集成平台的不二之选，同时，也为实现先进的光纤器件创造了无与伦比的机会。新世纪以来，随着纳米制造的不断发展，在光纤端面上的微纳光学结构被不断丰富，有助于提高光纤器件的微型化和高度集成。
天线可以对电磁场进行亚波长尺度的调控使其成为现代电磁系统中的关键部分，天线能有效地将局域能量和远场传播的电磁波耦合起来，开创了多种形式的电磁应用。随着通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的需要，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，导致微波射频天线的概念被引入到光频段，产生了由亚波长元素所构成的纳米光学天线。现阶段，传统的天线理论和技术已经日渐成熟与完善，人们将越来越多的目光投向了与新创新科技应用紧密相连的天线型式。光纤与天线的结合是未来光纤器件的发展的一个新方向，既可以通过天线将外界产生的物理化学、光学、压电、热、声、磁等信号变化传输回光纤中识别，也可以通过光纤的特殊构造使天线受到特种光场的激发，进而突破衍射极限，实现生物传感、光操纵等传统天线不具备的功能。例如，Wang M团队设计了一种等离子体行波纳米天线(Light:Science&Applications,8.1(2019):1-8)，通过一个带有偶极孔径的镀金螺旋结构纳米天线可以实现在亚波长尺度上旋转表面等离子体激元，并利用光学自旋轨道相互作用来实现可调偏振控制，但是该天线是单一式的，没有集成在纤端表面；Soltani N团队通过设计特定的光纤几何形状、材料和涂层，与平面八木天线相结合，实现了平面天线中偶极发射器与光纤的耦合(Optics express,2019,27(21):30830-30841)。该光纤的纤芯半径大于入射波波长，纤端涂覆有薄金层，充当指向元件。这种结构解决了辐射场与光纤中导模重叠的问题，使得偶极到光纤中的耦合效率增加；JM Ward团队设计了在光学微谐振器中使用“即插即用”的基于光纤的光学纳米天线来激发和检测回音壁模式(Opticsletters,44.13(2019):3386-3389)，所测光谱由耦合间隙、偏振和光纤尖端位置来表征。但是，上述两种装置需要复杂的外部能量输入，并且实现的耦合功能中没有包含光的偏振控制。中国专利(CN103986523A)公开了一种基于光纤阵列的卡塞格伦收发一体天线及收发一体方法，提高了卡式天线发射功率且实现了收发一体化，安装方便，体积小，通信距离远；中国专利(CN110444997A)公开了一种基于光学倍频的光纤耦合太赫兹光电导天线探测器，该器件的探测光经由光学倍频模块最终传递至光电导天线，其主体结构简单，设计构思巧妙，制备成本低，适宜工业化生产。上述专利所提出的基于光纤与天线结合的器件多用于光通信中，不能实现光场转换，尤其是光场纵、横偏振分量的转换。
我们设计的光纤螺旋天线波场转换器创新性的将光纤与螺旋天线结合在一起，利用光纤的成熟技术和普及程度广的优势，结合螺旋天线对电磁波偏振态的特殊响应，使其实现在亚波长尺度下光的偏振态转换。该器件不仅具备光纤体积小、结构灵活、可产生特种光场的特点，而且在纤芯内的传导模式与纤端的螺旋天线相互作用激发纵向偏振光场，进而产生向外辐射的圆偏光。众所周知，天线向外辐射的电磁波为椭圆偏光，其中圆偏光和线偏光是两个特例，相比于线偏光，圆偏光具有极化畸变损失小、极化效率高、有效地抑制多径效应等优势。
(三)发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤螺旋天线波场转换器。
本发明的目的是这样实现的：
所述光纤螺旋天线波场转换器由一段带有长周期光纤光栅的环形芯光纤、纤端中央的螺旋天线组成；其中，环形芯光纤的纤端经研磨形成纤端圆锥台，环形芯光纤包含内包层、纤芯和外包层，且三者的折射率n1、n2和n3分布关系可以是(a)n2＞n3≥n1；(b)n2＞n1≥n3；(c)n1≥n2＞n3中的一种。以满足图2(b)的折射率分布关系的环形芯光纤为例，当输入光注入到环形芯光纤后形成低阶传导模式后传输至长周期光栅，长周期光栅结构具有模式分离的功能，由于传播模式之间的耦合是伴随着模式之间的有效折射率之差的增大而减小导致的，即在全内反射期间，入射波的偏振方向导致光纤内部折射率阶跃处的相移，其中，模式的传播常数代表相位累积。为了在低阶传导模式所含的不同矢量模式TE01、TM01和HE21之间实现模式分离，可以通过麦克斯韦方程组的全矢量解来实现：
其中r为径向坐标，F11(r)为标量LP11简并模式的径向波函数，β11为其未扰动传播常数，a为波导纤芯尺寸，nco为纤芯折射率，Δn(r)为其相对于无限包层折射率的折射率分布，Δnmax为波导最大折射率。通过公式计算模式的场分布与其传播常数之间物理关系，即为计算TE01、TM01和HE21三种模式在该波导产生的高阶场(F11(r))和场梯度
此外，这种模式分离以及模式稳定性随着指数阶跃Δnmax的大小而增加，当TE01、TM01和HE21三种模式的有效折射率差至少相隔1.6×10-4时，长周期光栅对低阶传导模式实现模式分离，选择性地在环形芯中产生径向偏振的传导模式，如图3所示。
径向偏振的传导模式传输至纤端圆锥台时在外包层与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端聚焦，全内反射以及光聚焦的原理如下：假设环形芯光纤纤芯直径为dc，侧芯的偏心距为d1，圆台形纤端的直径为de，圆锥台的张开角(底角)为θ，如图4所示。当径向偏振的传导模式经过纤端圆锥台时，假设外界媒质折射率nm小于纤芯折射率n1，因此当圆台的张开角θ满足一定条件时，环形芯光纤传导模式会在包层与外界媒质的界面处(Z＝Z1)发生全内反射(Total internalreflection,TIR)，从而形成反射光场；反射光波在纤端圆锥台的包层内衍射传输到达圆台端面(Z＝Z2)，然后衍射波在纤端发生折射形成折射场，最后在外界媒质中传输一段距离后在Z轴上发生汇聚，此时的汇聚点假设为原点，在聚焦面(Z＝0)上就形成了强聚焦干涉光场。为了确保光波在多波导结构光纤圆锥台纤端发生全内反射，根据斯涅尔定理(Snelllaw)和简单的角度关系，圆台的张开角θ和出射光纤的汇聚角
需要满足以下关系：
θ＞θc＝arcsinnm(n1/ (3)
这里θc表示光波入射到圆台与外界媒质分界面上的全反射临界角。由以上分析不难发现，光波在经过光纤圆锥台纤端结构时发生了两次汇聚，因此我们可把圆锥台纤端等效为一个有效数值孔径和有效焦距分别为NAe和fe的透镜。由(2)式可知，
从图4中可看出，一般情况下，fe>|Z2|，聚焦光场的焦点处于光纤端外部；而当焦点处于光纤端上时，圆台形纤端的直径de需满足如下关系：
当满足公式(5)时，在纤端包层内的反射光波衍射传输到达纤端端面，此时光纤端面位于光聚焦的焦平面上,在聚焦处产生相长干涉，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场，如图5(a)所示。纵向偏振光场受到螺旋天线调制后输出圆偏光场，如图6所示。
本发明的有益效果在于：
本发明结合了光纤与亚波长纳米天线的优点，提出一种新型结构的光纤螺旋天线波场转换器。该装置通过一段长周期光栅结构实现低阶入射传导模式的模式分离，只有径向偏振的传导模式可以通过长周期光栅结构，再经纤端的螺旋天线作用，向外辐射沿竖直方向定向传播的圆偏光。该器件具有偏振态调制功能，将光纤内传导的径向偏振光转化为向外辐射的圆偏光，并且突破了衍射极限。
(四)附图说明
图1是光纤螺旋天线波场转换器的工作原理示意图。
图2是环形芯光纤的内包层、纤芯和外包层的折射率n1、n2和n3分布示意图：(a)n2＞n3≥n1；(b)n2＞n1≥n3；(c)n1≥n2＞n3。
图3是长周期光栅结构实现模式分离的工作原理的示意图。
图4是环形芯光纤圆锥台纤端光汇聚干涉工作原理示意图。
图5(a)是纤端表面的纵向偏振光场仿真图；(b)是纤端表面的横向偏振光场仿真图。
图6是出射的圆偏光场仿真图。
图7是在环形芯光纤纤端制备螺旋天线结构的步骤示意图：(a)是未制备螺旋天线的环形芯光纤的示意图；(b)是在环形芯光纤纤端制备金膜的示意图；(c)是通过双光子聚合技术在纤端金膜制备螺旋天线的示意图；(d)是完成环形芯光纤纤端制备螺旋天线结构的示意图。
图8是环形芯光纤的结构示意图：(a)单芯环形；(b)单芯三角形；(c)单芯矩形；(d)单芯其他多边形；(e)阵列多芯六边形；(f)阵列多芯三角形；(g)阵列多芯矩形；(h)阵列多芯圆形。
图9是光纤螺旋天线波场转换器的系统示意图。
(五)具体实施方式
本发明实施方式提供的是光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述器件由一段带有长周期光纤光栅1的环形芯光纤2、纤端中央的螺旋天线3组成；其中，环形芯光纤2的纤端经研磨形成纤端圆锥台4，环形芯光纤2包含外包层5、环形纤芯6、内包层7；输入光8注入到环形芯光纤2后形成低阶传导模式9，经长周期光纤光栅1调制后转化成径向偏振模式10传输经过纤端圆锥台4时在外包层5与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波11在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端聚焦，在聚焦处产生相长干涉12，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场13，纵向偏振光场13受到螺旋天线4调制后输出圆偏光场14。
光纤螺旋天线波场转换器的螺旋天线制备过程可分为以下几个步骤(见图7)：取一段环形芯光纤，如图7(a)所示；将图7(a)中的环形芯光纤取一段用光纤夹具15固定住，然后将纤端放置于研磨盘16上，光纤夹具15与研磨盘16分别与各自的直流电机相连接，通过控制光纤夹具15与研磨盘15盘面法线呈θ夹角自转来制备张开角为θ的圆锥台纤端，如图7(b)所示；在金膜上放置用于刻写螺旋天线的光刻胶，再通过双光子聚合系统的图形发生器中预先设置好激光束扫描的区域、方式、剂量、速率等参数，就可以利用高度聚焦的激光束诱导出螺旋状的光刻胶骨架，最后通过磁控溅射仪的镀膜速率参数，在骨架上溅射一层金膜，如图7(c)所示。双光子聚合完成后，得到纤端金属螺旋天线结构，如图7(d)。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明(见图7)。
步骤1、光源耦合：将单模光纤17、少模光纤18和制备好的环形芯光纤19依次对准、焊接，如图9所示。其中，在环形芯光纤19中的传输模式受到长周期光纤光栅结构7的控制；
步骤2、圆偏光生成与观测：输入激光20，在偏振控制器21和长周期光纤光栅结构1的调制下，选择性地在环形芯光纤19中产生径向偏振的传导模式10，然后径向偏振的传导模式10传输至纤端圆锥台时在外包层与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波11在纤端包层内衍射传输并聚焦在纤端端面，聚焦处产生相长干涉12，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场13。纵向偏振光场13受到螺旋天线调制后输出圆偏光场14，圆偏光场14经CCD数字相机成像，可在计算机上观测不同竖直位置的输出平面上的光场分布。
Claims (6)
1.本发明提供的是光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述器件由一段带有长周期光纤光栅1的环形芯光纤2、纤端中央的螺旋天线3组成；其中，环形芯光纤2的纤端经研磨形成纤端圆锥台4，环形芯光纤2包含外包层5、环形纤芯6、内包层7；输入光8注入到环形芯光纤2后形成低阶传导模式9，经长周期光纤光栅1调制后转化成径向偏振模式10传输经过纤端圆锥台4时在外包层5与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波11在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端聚焦，在聚焦处产生相长干涉12，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场13，纵向偏振光场13受到螺旋天线4调制后输出圆偏光场14。
2.根据权利要求1所述的光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述环形芯光纤的内包层、纤芯和外包层的折射率n1、n2和n3分布关系可以为下列的一种：(a)n2＞n3≥n1；(b)n2＞n1≥n3；(c)n1≥n2＞n3。
3.根据权利要求1所述的光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述的螺旋天线可以是全介质材料、全金属材料、金属-介质复合材料的一种。
4.根据权利要求1所述的光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述的螺旋天线的螺旋截距可以是恒定的，也可以是渐变的。
5.根据权利要求1所述的光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述的环形纤芯是呈环形、三角形、矩形或其他多边形分布的单芯或阵列多芯结构。
6.根据权利要求1所述的光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述的纤端圆锥台也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
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