CN114047576A - 全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，包括：步骤200：在光纤内确定长周期螺旋光纤光栅的起始位置；步骤300：将激光光束聚焦在所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置上，然后带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内写制形成长周期螺旋光纤光栅。该制备方法用于制备全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅。

Description

全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制 备方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅领域，尤其涉及一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法。

背景技术

轨道角动量光束产生器按照产生媒介的不同，可分为空间型和光纤型两种。光纤型产生轨道角动量光束的方法包括全息图样产生技术、离轴入射产生技术、模式转换产生技术。其中模式转换产生技术又分为光纤耦合器轨道角动量光束产生技术以及光纤光栅产生技术。而基于光纤光栅的制备方式，因为具有高耦合效率、特定波长选择、低成本、低插损、易于制备等优点，是人们研究的一个热点。其中，螺旋折变型光纤光栅则是光纤型轨道角动量光束产生器的关键元件，利用螺旋光纤光栅可以直接产生轨道角动量光束，不需要额外添加偏振控制器、压力板等辅助器件，在使用上更加稳定灵活，系统更加紧凑，因此，具有广泛的应用前景。

在一份公开号为CN112698440A的发明专利中公开了一种螺旋型光纤光栅的制备方法，其通过将CO₂激光束聚焦在光纤的包层，同时使光纤绕自身轴线旋转以及沿水平方向平移，CO₂激光束在光纤包层20形成螺旋折射率写制，从而实现CO₂激光束在光纤包层20高精度的螺旋路径写制，最终得到螺旋线折射率变化写制型长周期光纤光栅。但是，该制备方法在写制光栅时将光纤夹持在旋转夹具上，采用旋转电机带动旋转夹具，进而实现光纤旋转，同时采用移动平台带动旋转电机、旋转夹具和光纤水平移动，光纤、旋转夹具和旋转电机需要绕同一旋转轴旋转，对同轴度的要求比较高，因此，在制备前必须调整光纤、旋转夹具和旋转电机之间的相对位置，使三者共轴，否则在转动过程中，光纤会相对CO₂激光束发生偏移，导致CO₂激光束没有打在正确位置上，使得螺旋光纤光栅的刻写位置偏移、甚至没有刻写光纤上。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种制备方法，用于制备全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，包括如下步骤：

步骤200：在光纤内确定长周期螺旋光纤光栅的起始位置；

步骤300：将激光光束聚焦在所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置上，然后带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内写制形成长周期螺旋光纤光栅。

进一步地，在步骤200之前，还包括如下步骤：

步骤100：将所述光纤表面的涂覆层剥离，以露出所述光纤内部的包层和纤芯。

进一步地，在步骤300中，同时还包括：向所述光纤的一端内发射检测光束，从所述光纤的另一端接收出射的检测光束，以得到所述检测光束的实时光谱，当所述检测光束的实时光谱与设计光谱一致时，则停止所述长周期螺旋光纤光栅的写制。

进一步地，步骤300中，带动所述光纤进行三维螺旋移动的步骤如下：

步骤301：将所述长周期螺旋光纤光栅的立体路径分解为分别沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，X轴、Y轴和Z轴之间两两垂直；

步骤302：按照所述长周期螺旋光纤光栅沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，带动所述光纤沿X轴、Y轴和Z轴进行同步移动。

进一步地，将所述光纤的轴线方向定义为X轴，将在水平面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Y轴，将在竖直面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Z轴。

进一步地，所述光纤沿X轴单向移动的速度为Vx，沿Y轴双向往复移动的速度为Vy以及沿Z轴双向往复移动的速度为Vz，满足以下公式：

其中r为所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径，T为所述长周期螺旋光纤光栅的设计螺距。

进一步地，所述螺旋折变型光纤光栅作为轨道角动量产生器，应满足如下相位匹配条件：

其中，

和

分别是表示基模和被耦合模的有效折射率，

是所述螺旋折变型光纤光栅对应的谐振峰波长，

和

是两个对应模式的总角动量，它们是相应模式的轨道角动量和自旋角动量的总和，m为光栅衍射级数，

表示所述螺旋折变型光纤光栅的旋向。

进一步地，在步骤200之前，还包括如下步骤：

步骤100：设定所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径r、设计螺距T及所述光纤沿X轴单向移动的速度Vx。

进一步地，所述设计螺距T为恒定值或变化值。

进一步地，所述设计半径r为恒定值或变化值。

本发明具有如下有益效果：

1、本案通过所述三维移动装置直接带动所述光纤进行三维螺旋移动，以配合所述激光光源在所述光纤内写制长周期螺旋光纤光栅，相较于现有技术中通过带动所述光纤旋转来写制螺旋光纤光栅的方式，因无需旋转所述光纤，故同轴度要求较低；

2、本案采用飞秒激光制备所述长周期螺旋光纤光栅，无需在高温或者大能量使所述光纤处于熔融状态时再旋转所述光纤，即可得到一种可以直接产生轨道角动量光束模式的全光纤产生器，写制的长周期螺旋光纤光栅具有良好的性能，有效地保证所述长周期螺旋光纤光栅具有较低的插入损耗以及较高的温度稳定性，能够灵活实现所述长周期光纤光栅的光谱参数的调谐，同时使模式转换效率达到98%；

3、本案不仅可以在所述光纤各个位置开始刻写螺旋线，而且结合三维位移装置可以灵活地刻写复杂多重的螺旋线，充分开发飞秒激光光束制备长周期螺旋光纤光栅的潜能，使得全光纤轨道角动量光束模式产生器可定向产生特定轨道角动量光束模式，效率高，纯度高，并能支持其稳定传输，采用全光纤化结构，结构紧凑，易与光纤通信网络兼容；

4、通过所述控制装置可以任意改动所述长周期螺旋光栅光纤的周期，实现对所述长周期螺旋光纤光栅的共振波长设计，当所述三维位移装置的移动距离满足所述长周期螺旋光纤光栅的写入长度、共振波长和共振峰深度后，可以通过所述控制装置控制所述三维移动装置停止移动，若在完成设计的光纤光栅长度后，共振峰深度还未满足要求，也可在结束位置继续刻写所述长周期螺旋光纤光栅，直至满足需求，实现所述长周期螺旋光纤光栅共振深度的可调性，进而得到任何需要的调制光谱。

附图说明

图1为本发明提供的螺旋折变型光纤光栅的制备系统的原理示意图；

图2为本发明提供的螺旋折变型光纤光栅的制备方法的步骤示意图；

图3为本发明提供的全光纤轨道角动量光束产生器中螺旋折变型光纤光栅的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例一

如图1和3所示，一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备系统，包括激光光源1、光处理装置、三维移动装置10和控制装置12，

所述激光光源1，用于发射写制光栅用的激光光束；

所述光处理装置，用于对所述激光光束进行处理，将所述激光光束投射在焦点处；

所述三维移动装置10，用于带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内写制长周期螺旋光纤光栅；

所述控制单元，用于控制所述激光光源1和三维移动装置10，分别与所述激光光源1和三维移动装置10通讯连接。

本实施例中，所述激光光源1为飞秒激光光源1，飞秒激光光束拥有极短的激光光束，超强的峰值功率，当飞秒激光光束照射到透明电介质材料时，由于其具有很高的电场强度，引发了强烈的非线性效应，包含“非线性光致电离”和“雪崩电离”。高非线性效应使得激光聚焦处产生局域内的高浓度等离子体团，使得该处密度瞬间増大，介质致密化并产生膨胀微爆炸，微爆之后在该中心残留下了微空腔，相邻区域发生微压缩，改变了该区域的材料密度，因此形成了永久的折射率改变。飞秒激光光束基于以上原理制作长周期光纤光栅具有以下特点：热扩散效应很微弱，实现一个相对意义上的“冷”加工：飞秒脉冲与物质相互作用的能量交换是基于光子电离，能量的转移仅限于激光焦点中很小一部分面积，而不是整个聚焦光斑，因此飞秒激光光束加工可以突破光束衍射波长的限制，实现超精密加工；飞秒激光光束焦点在透明介质内部扫描移动，可以实现三维加工，甚至创造出天马行空的结构出来；采用飞秒激光光束所写制的光栅周期可小于100μm。

当然，随着光源技术的发展，本案不排除采用其他类型的激光光源1。

所述控制装置12可以为笔记本电脑、台式PC、平板电脑、智能手机等终端，通过软件将长周期螺旋光纤光栅的立体路径转换为对应的点云坐标数据，一个坐标点对应于所述光纤内的一个写制点，然后将所述光纤的各个写制点依次定位至所述激光光束的焦点处进行写制。

所述三维移动装置带有移动控制器11，并通过所述移动控制器11连接至所述控制装置12。

所述光处理模块包括衰减单元、反射单元和聚焦物镜6，

所述衰减单元，用于减弱所述激光光束的能量；

所述反射单元，用于控制所述激光光束的传播方向；

所述聚焦物镜6，用于将所述激光光束聚焦后投射至焦点处。

所述衰减单元包括衰减器2或至少一衰减片，所述衰减器2的衰变量可调，若采用所述衰减器2，则所述衰减器2通讯连接于所述控制装置12，由所述控制装置12进行控制；若采用衰减片，则所述衰减片的数量根据所需的激光能量而定，所需的激光能量越小，所述衰减器2的数量越多，所需的激光能量越大，所述衰减器2的数量越少。

所述反射单元包括至少一反射片3，所述反射片3的数量根据所需的激光路径而定，所需的激光路径越复杂，所述反射片3的数量越多，所需的激光路径越简单，所述反射片3的数量越少。

该制备系统还包括成像装置4，所述成像装置4用于对所述光纤进行成像，通讯连接至所述控制装置12，由所述控制装置12进行控制。

所述光处理模块还包括一双色镜5，所述聚焦物镜6设置于所述双色镜5的反射侧，所述成像装置4设置于所述双色镜5的投射侧。

所述双色镜5可对短波激光形成反射，而对长波激光形成透射，激光光束在对所述光纤进行光栅写制前，具有较高的能量，波长较短，属于短波激光，经过所述双色镜5时能够被所述双色镜5反射至所述聚焦物镜6内，所述激光光束在对所述光纤进行光栅写制后，大部分能量被所述光纤吸收，波长变长，属于长波激光，经所述光纤反射回来后依次经过所述聚焦物镜6和双色镜5，且在经过所述双色镜5时直接穿过所述双色镜5而在背面的成像装置4上进行成像。

所述光纤在光栅写制前后具有不同的折射率，故可依据所述激光光束在所述成像装置4上的成像情况来判断所述光纤内长周期螺旋光纤光栅的写制情况。

所述成像装置4可以但不限于为CCD相机。

本实施例中，所述衰减单元包括一衰减器2，所述反射单元包括一反射片3，所述衰减单元设置于所述光源装置的发射口前，所述反射片3设置于所述衰减器2的出射口以及所述双色镜5的入射侧之间，所述聚焦物镜6设置于所述双色镜5的发射侧，所述成像装置4设置于所述双色镜5的投射侧。

该制备系统还包括光纤夹具8，所述光纤夹具8用于夹持所述光纤的两端，设置于所述三维移动装置10上，由所述三维移动装置10带动进行三维螺旋移动。

该制备系统还包括检测光源7和光谱仪9，所述检测光源7和光谱仪9均通讯连接至所述控制装置12，由所述控制装置12进行控制；

所述检测光源7，用于向所述光纤的一端内发射检测光束，通讯连接至所述控制装置12；

所述光谱仪9，用于从所述光纤的另一端接收出射的检测光束，以得到所述检测光束的实时光谱。

在进行光栅写制时，所述控制装置12可根据所述光谱仪9得到的所述检测光束的实时光谱，判断与预设光谱是否一致，进而判断所述长周期螺旋光纤光栅是否写制完成。

实施例二

如图2和3所示，一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，应用于实施例一所述的制备系统中，包括如下步骤：

步骤200：在光纤内确定所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置。

在该步骤200中，所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置可根据所述光纤的长度以及所述长周期螺旋光纤光栅的周期、调制光谱等参数而确定。

其中，用于调制螺旋折变型光纤光栅的光纤可以为任意光纤，所述光纤的结构从外层向内层依次包括涂覆层、包层和纤芯，所述涂覆层为非透明材质，主要起到保护所述包层和纤芯以及屏蔽干扰的作用；所述包层和纤芯均为透明材质，但所述包层和纤芯的折射率不同，故光束可在所述包层和纤芯之间的界面处形成全反射，而在所述纤芯内向前传播。

本案所采用的飞秒激光光束可透过所述涂覆层，而直接作用在所述纤芯内进行折射率调制，故在写制所述长周期螺旋光纤光栅时，无需将所述光纤表面的涂覆层剥除。但是为了在完成所述长周期螺旋光纤光栅的写制后，便于对所述光纤进行切割，在步骤200之前，还可包括如下步骤：

步骤100：将所述光纤表面的涂覆层剥除，以露出所述光纤内部的包层和纤芯。

步骤300：将激光光束聚焦在所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置上，然后带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内写制长周期螺旋光纤光栅。

在该步骤300中，先通过所述三维移动装置10带动所述光纤沿自身轴线移动，使所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置复位至所述激光光源1的焦点处，然后通过所述激光光源1透过所述聚焦物镜6向所述光纤发射激光光束，以使所述激光光束经所述聚焦物镜6的聚焦后投射至所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置上，接着保持所述激光光束的焦点不动，同时通过在所述三维移动装置10带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内形成螺旋调制路径，最终制得所述长周期螺旋光纤光栅。

在步骤300中，同时还包括：向所述光纤的一端内发射检测光束，从所述光纤的另一端接收出射的检测光束，以得到所述检测光束的实时光谱，当所述检测光束的实时光谱与设计光谱一致时，则停止所述长周期螺旋光纤光栅的写制。

在进行步骤300之前，先将所述光纤的一端与所述检测光源7连接，另一端与所述光谱仪9连接，然后再将所述光纤表面上的涂覆层剥除，接着将所述光纤的两端固定在所述三维移动装置10的光纤夹具8上。

在步骤300中，带动所述光纤进行三维螺旋移动的步骤如下：

步骤301：将所述长周期螺旋光纤光栅的立体路径分解为分别沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，X轴、Y轴和Z轴之间两两垂直。

在该步骤301中，为了便于计算所述光纤的移动参数，将所述光纤的轴线方向定义为X轴，将在水平面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Y轴，将在竖直面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Z轴。

经分解后，所述长周期螺旋光纤光栅沿X轴的移动路径为单向移动，沿Y轴和Z轴的移动路径均为双向往复移动。

步骤302：按照所述长周期螺旋光纤光栅沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，带动所述光纤沿X轴、Y轴和Z轴进行同步移动。

在该步骤302中，通过所述三维移动装置10带动所述光纤沿X轴单向移动，沿Y轴和Z轴双向往复移动。

其中，所述光纤沿X轴单向移动的速度为Vx，沿Y轴双向往复移动的速度为Vy以及沿Z轴双向往复移动的速度为Vz，满足以下公式：

其中r为所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径，T为所述长周期螺旋光纤光栅的设计螺距（即所述长周期螺旋光纤光栅的设计周期）；而Vx可根据实际调制需求而取任意数值。

所述螺旋折变型光纤光栅在作为轨道角动量产生器时，应满足如下相位匹配条件：

其中，

和

分别是表示基模和被耦合模的有效折射率，

是所述螺旋折变型光纤光栅对应的谐振峰波长，

和

是两个对应模式的总角动量，它们是相应模式的轨道角动量和自旋角动量的总和，m为光栅衍射级数，

表示所述螺旋折变型光纤光栅的旋向。

该制备方法在步骤200之前，还包括如下步骤：

步骤100：设定所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径r、设计螺距T及所述光纤沿X轴单向移动的速度Vx。

在步骤100中，所述设计螺距T既可以为恒定值，也可以为变化值，当所述设计螺距T为恒定值时，调制形成的长周期螺旋光纤光栅在各处的螺距均相等，所述长周期螺旋光纤光栅为均匀周期螺旋光栅，当所述设计螺距T为变化值时，调制形成的长周期螺旋光纤光栅在各处的螺距呈规律性变化，所述长周期螺旋光纤光栅为啁啾螺旋光栅；所述设计半径r既可以为恒定值，也可以为变化值，当所述设计半径r为恒定值时，调制形成的长周期螺旋光纤光栅在各处的横向调制截面均匀分布，当所述设计半径r为变化值时，调制形成的长周期螺旋光纤光栅在各处的横向调制截面呈规律性分布。

至于先剥离所述光纤上的涂覆层，还是先设定r、T和Vx的数值，视操作人员的习惯及实际情况而定，不做任何限定。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤200:在光纤内确定长周期螺旋光纤光栅的起始位置；

步骤300：将激光光束聚焦在所述长周期螺旋光纤光栅的起始位置上，然后带动所述光纤进行三维螺旋移动，以使所述激光光束的焦点在所述光纤内写制形成长周期螺旋光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，在步骤200之前，还包括如下步骤：

步骤100：将所述光纤表面的涂覆层剥离，以露出所述光纤内部的包层和纤芯。

3.根据权利要求1所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，在步骤300中，同时还包括：向所述光纤的一端内发射检测光束，从所述光纤的另一端接收出射的检测光束，以得到所述检测光束的实时光谱，当所述检测光束的实时光谱与设计光谱一致时，则停止所述长周期螺旋光纤光栅的写制。

4.根据权利要求1所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，步骤300中，带动所述光纤进行三维螺旋移动的步骤如下：

步骤301：将所述长周期螺旋光纤光栅的立体路径分解为分别沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，X轴、Y轴和Z轴之间两两垂直；

步骤302：按照所述长周期螺旋光纤光栅沿X轴、Y轴和Z轴的移动路径，带动所述光纤沿X轴、Y轴和Z轴进行同步移动。

5.根据权利要求4所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，将所述光纤的轴线方向定义为X轴，将在水平面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Y轴，将在竖直面上与所述光纤的轴线方向相垂直的方向定义为Z轴。

6.根据权利要求5所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，所述光纤沿X轴单向移动的速度为Vx，沿Y轴双向往复移动的速度为Vy以及沿Z轴双向往复移动的速度为Vz，满足以下公式：

其中r为所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径，T为所述长周期螺旋光纤光栅的设计螺距。

7.根据权利要求6所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，所述螺旋折变型光纤光栅作为轨道角动量产生器，应满足如下相位匹配条件：

其中，

和

分别是表示基模和被耦合模的有效折射率，

是所述螺旋折变型光纤光栅对应的谐振峰波长，

和

是两个对应模式的总角动量，它们是相应模式的轨道角动量和自旋角动量的总和，m为光栅衍射级数，

表示所述螺旋折变型光纤光栅的旋向。

8.根据权利要求6所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，在步骤200之前，还包括如下步骤：

步骤100：设定所述长周期螺旋光纤光栅的设计半径r、设计螺距T及所述光纤沿X轴单向移动的速度Vx。

9.根据权利要求8所述所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，所述设计螺距T为恒定值或变化值。

10.根据权利要求8所述所述的全光纤轨道角动量光束产生器用的螺旋折变型光纤光栅的制备方法，其特征在于，所述设计半径r为恒定值或变化值。

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