CN113777701B - 一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学波片相关技术领域，并公开了一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片。该波片由一条旋光纤呈空间螺旋盘旋而成，该螺旋盘旋的旋光纤包括三个部分，入射端、中间段和出射端，其中，所述中间段用于形成波片所需的相位延迟。相较于现有的光纤波片，本发明所提出的基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片则由于旋光纤其内部呈螺旋结构的高双折射轴而抑制甚至淹没掉外界产生的线性双折射，从而获得确定的输出偏振态。

Description

一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片
技术领域
本发明属于光学波片相关技术领域，更具体地，涉及一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片。
背景技术
波片是一种常用的光学器件，其被广泛地应用于光学系统中来实现偏振光的偏振态变换。通常，波片由光学晶体切割成特定厚度的平行薄片来制作，然而这些块状光学波片与生俱来的窄带、笨重、难以与光纤光学系统集成等不足，极大地制约了其在光纤光学系统中的应用。相较于块状光学波片，全光纤波片的引入则不仅可以降低内部损耗、背向反射，而且可以保持很高的集成度，从而提高光纤光学系统的综合性能。因此，全光纤波片是满足光纤光学系统发展趋势的重要器件。
常用的光纤波片按照所需双折射的来源主要可以分为两大类，即应力感应型光纤波片和几何形状效应型光纤波片。几何形状效应型光纤波片利用光纤的几何效应所产生的线性双折射来制作波片，例如截取椭圆芯保偏光纤四分之一拍长来制作四分之一波片，或者变速率旋转保偏光纤来制作波片。前者需要极为准确的截取长度、角度对准以及熔接操作，后者需要非常复杂的制作工艺。感应型光纤波片使用光纤的弯曲、侧向压力、轴向应力等机械应力或者保偏光纤的热应力产生的线性双折射来制作波片，应用广泛，然而，其两端的单模尾纤在使用过程中极易受例如弯曲和振动的影响，从而产生相当大其随机性的线性双折射，导致出射偏振态严重偏离其预设值。因此，急需一种新的波片，有效消除随机性的线性双折射，以及出射偏振态严重偏离其预设值的缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，解决现有技术中随机性的线性双折射，以及出射偏振态严重偏离其预设值的问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，该波片由一条旋光纤呈空间螺旋盘旋而成，该螺旋盘旋的旋光纤包括三个部分，入射端、中间段和出射端，其中，所述中间段用于形成波片所需的相位延迟。
进一步优选地，所述螺旋盘旋的旋光纤的几何参数螺距P、螺旋半径R、长度LR由所需波片的相位延迟量和旋光纤的旋转周期Ls和保偏光纤预制棒的线拍长Lb共同决定。
进一步优选地，所述入射端和出射端的均呈直线状。
进一步优选地，所述入射端和出射端的长度为所述旋光纤椭圆拍长的正整数倍。
进一步优选地，所述旋光纤的椭圆拍长按照下列方式计算：
Figure BDA0003232517730000021
其中，Le是椭圆拍长，Lb是保偏光纤预制棒的线拍长，Ls是旋光纤的旋转周期。
进一步优选地，所述旋光纤中间设置有载体，该旋光纤判断在该载体上。
进一步优选地，所述载体呈圆柱形。
进一步优选地，所述旋光纤由保偏光纤预制棒在熔融状态下高速旋转而得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明中之所以选用螺旋弯曲的旋光纤(Spun Highly Birefringent OpticalFiber)作为波片，是因为旋光纤固有的线性双折射在空间上呈螺旋结构，当偏振光在其中传播时会发生偏振旋转，因此弯曲双折射所产生的相位延迟会随着旋光纤长度地增加不可预测地变化，并不能像普通单模光纤在平面弯曲那样随光纤长度线性增长；如果让旋光纤作空间螺旋弯曲的旋转，则能使得偏振光方向的旋转与弯曲应力方向的旋转保存同步，实现相位延迟随着旋光纤长度线性增长，从而可以作为波片使用；
2.本发明中的旋光纤由保偏光纤预制棒在熔融状态下高速旋转而得到，冷却后，其高线性双折射轴在空间呈螺旋，其在使用过程中会抑制例如弯曲、振动等产生的线性双折射，从而具备优良的圆偏振保持能力，因此，利用旋光纤的弯曲应力双折射所制作的光纤波片则能获得具有确定的偏振态变换能力的全光纤波片；相较于现有的光纤波片，本发明所提出的基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片则由于旋光纤其内部呈螺旋结构的高双折射轴而抑制甚至淹没掉外界产生的线性双折射，从而获得确定的输出偏振态；
3.本发明中的入射端和出射端的长度是椭圆拍长的整数倍，若入射端长度不是椭圆拍长的整数倍时，从起偏器出射的线偏振光经过入射端旋光纤的作用会变为一椭圆度很小的椭圆偏振态，即进入到中间段延迟器时不是从起偏器出射的线偏振态；同理经过中间段延迟器作用后的偏振光经过出射端的长度不是椭圆拍长的整数倍时，由于旋光纤作用，也会发生偏振态的改变，即方位角和椭圆度的变化，因此，入射端和出射端的长度应是椭圆拍长的整数倍；
4.本发明中采用旋光纤作为波片，与理想普通单模光纤不同，普通单模光纤为各向同性电介质，在实际使用过程中，例如弯曲和振动极易产生应力双折射，使得偏振光经过确定长度单模光纤作用后出射偏振态不可预测地改变，旋光纤由于其特殊的制作方法，即将保偏光纤预制棒在熔融状态下高速旋转而得到，高双折射轴在其内部呈螺旋结构，对应的本征偏振态近似为圆偏振态，当偏振光经过确定长度旋光纤作用时，弯曲和振动产生的线性双折射难以改变其本身的各向异性，因此出射偏振态是确定的，不易受到外界扰动影响。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片结构示意图；
图2是是按照本发明的优选实施例所构建的基于空间螺旋弯曲的旋光纤延迟器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，该旋光纤波片由三个部分构成，即长度为Li的入射端旋光纤尾纤、长度为LR的旋光纤延迟器(Retarder)、长度为Lo的出射端旋光纤尾纤。两端的旋光纤尾纤用于与光纤光学系统中的其他光学器件进行连接，中间部分旋光纤延迟器用于产生波片所需的相位延迟(Retardation)。如图2所示，旋光纤延迟器由一段特定长度的旋光纤以空间螺旋的方式进行弯曲而制作，其螺旋线的几何参数如螺距P、螺旋半径R、长度LR等由所需相位延迟量(取决于波片的种类，例如四分之一波片、半波片等)和旋光纤的特性参数如旋转周期Ls和保偏光纤预制棒的线拍长Lb共同决定。两端的旋光纤尾纤为两根直的旋光纤，为了提高整个波片的综合性能，其长度需满足一定条件，即为旋光纤椭圆拍长Le的正整数倍。椭圆拍长的计算公式为
Figure BDA0003232517730000051
图2所示为空间螺旋弯曲的旋光纤延迟器的结构细节示意图，其中P为螺旋线的螺距，R为螺旋半径，(n,b,s)坐标系为一个本地坐标系。n,b,s为分别指向空间曲线法线、副法线、切线方向的坐标轴。当线偏振光沿该空间螺旋路径进行传播时，由于几何拓扑效应会发生偏振方向的旋转，其旋转速度为ω2＝2πP/[P2+(2πR)2]，而旋光纤是由保偏光纤预制棒在熔融状态下高速旋转而得到的，其高线性双折射轴在空间呈螺旋结构，因此线偏振光在其中从传播时会发生固有的偏振旋转，其旋转速率为ω1＝(Δβ)2/(8ξ)，(ξ远大于Δβ，Δβ＝2τ/Lb为保偏光纤预制棒的线性双折射，ξ＝2τ/Ls为旋转速率)。当这两个旋转速度相同时，即ω2＝ω1时，在(n,b,s)坐标系下，偏振光近似静止，弯曲应力双折射产生的相位延迟能随旋光纤的长度线性增加，从而制作出所需相位延迟量的光纤波片。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明。
尽管本发明专利所提出的基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片制作方法可以制作各种相位延迟量的光纤波片，但是在光学系统中最常用的波片为四分之一波片和半波片，下面以四分之一波片和半波片为例，给出基于空间螺旋弯曲的旋光纤四分之一波片和半波片的实施例。用于制作旋光纤波片的旋光纤为长飞光纤光缆股份有限公司型号为SH1016-A的旋光纤，其特征参数为旋转周期Ls＝5mm、线拍长Lb≈9.5mm、包层直径为D＝125um、加装保护套后其外径为H＝900um，用于绕制波片的圆柱的半径为10mm。则首先可以计算出螺旋半径R＝10.45mm，旋光纤的椭圆拍长Le≈7.34cm，旋光纤固有的偏振旋转速率ω1＝(Δβ)2/(8ξ)≈43.5rad/m。由ω2＝2πP/[P2+(2πR)2]＝ω1＝43.5rad/m可以得到螺距P≈4.2cm，将P≈4.2cm、R＝10.45mm带入到χ＝(2π)2R/(P2+(2πR)2中，可以计算得到弯曲曲率χ≈67.8m-1。然后利用弯曲双折射的表达式βb≈0.215D2χ2/λ，取光的波长为λ＝1310nm，可以计算得到弯曲双折射βb≈11.3rad/m。最后对于四分之一波片所需的相位延迟为π/2，其对应的旋光纤长度为LRq＝π/2βb≈14cm；对于半波片所需的相位延迟为π，其对应的旋光纤长度为LRh＝π/βb≈28cm。这样就得到了整个螺旋线的几何参数R、P、LR。将旋光纤按照上述得到的螺旋线的几何参数缠绕在半径为10mm标记有刻度线的圆柱上，在缠绕过程中应该避免对光纤产生额外的扭转和拉伸，并将其合理地固定在圆柱表面上便完成了基于空间螺旋弯曲的旋光纤四分之一波延迟器和半波延迟器的制作。
四分之一波片和半波片两端的尾纤用于连接光纤光学系统中其他光学器件，前面已经计算得到旋光纤的椭圆拍长Le≈7.34cm。由于偏振光的偏振态在旋光纤中传播时，每隔一个椭圆拍长就会重新，因此为了消除由于尾纤带来的偏振态变化，尾纤的长度应优选为椭圆拍长的整数倍，即Li＝n1Le、Lo＝n2Le，n1和n2为正整数。两端的旋光纤尾纤加上中间的旋光纤四分之一波延迟器和半波延迟器便构成了基于螺旋弯曲的旋光纤四分之一波片和半波片。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，其特征在于，该波片由一条旋光纤呈空间螺旋盘旋而成，该螺旋盘旋的旋光纤包括三个部分，入射端、中间段和出射端，其中，所述中间段用于形成波片所需的相位延迟；
所述螺旋盘旋的旋光纤的几何参数螺距P、螺旋半径R、长度LR由所需波片的相位延迟量和旋光纤的旋转周期Ls和保偏光纤预制棒的线拍长Lb共同决定；
所述入射端和出射端的均呈直线状；
所述入射端和出射端的长度为所述旋光纤椭圆拍长的正整数倍；
所述旋光纤的椭圆拍长按照下列方式计算：
Figure FDA0003569320350000011
其中，Le是旋光纤椭圆拍长，Lb是保偏光纤预制棒的线拍长，Ls是旋光纤的旋转周期。
2.如权利要求1所述的一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，其特征在于，所述旋光纤中间设置有载体，该旋光纤盘旋在该载体上。
3.如权利要求2所述的一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，其特征在于，所述载体呈圆柱形。
4.如权利要求1所述的一种基于空间螺旋弯曲的旋光纤波片，其特征在于，所述旋光纤由保偏光纤预制棒在熔融状态下高速旋转而得到。
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