CN103969737A - 非对称双折射涡旋光纤及其制备方法 - Google Patents

非对称双折射涡旋光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，该光纤由具有单应力区或双应力区的光纤预制棒旋转拉制而成，因此该光纤存在单螺旋或双螺旋应力区，并且由于应力区的不对称分布或应力区材料的不同而在光纤纤芯中产生螺旋分布的不对称应力双折射，导致传导光波形成径向相位差，从而可使在其中传输的光波获得轨道角动量，产生涡旋相位传输，实现类涡旋光传输模式。该光纤在整体上具有结构微小、操作灵活、***稳定和抗干扰能力强等特点，可以用于涡旋光束的生成、微粒操控、传感应用等。

Description

非对称双折射涡旋光纤及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种光纤及其制备技术，具体涉及一种非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。
(二)背景技术
涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量(Physical Review A，1992，45(11)：8185-8189)，因此近年来被广泛研究，并在通信、光镊、原子操纵和显微技术中得到了极大应用。生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(OpticsExpress，2008，16(21)：16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光耦合，这样就带来许多不便。
而基于光纤的涡旋光生成器则在远程交互和***小型化上更具优势。研究者们使用声学长周期光栅(Physical Review Letters，2006，96(4)：43604)或者利用在多模光纤中的诱导压力(Applied Optics，1998，37(3)：469-472)实现了涡旋光传输模式。然而在光纤中模式耦合会破坏轨道角动量模式，从而导致多路干涉。在绝大多数多模光纤中，TE/TM模式和需要的HE21模式是共存的，这样它们经过模式耦合会在输出端生成线性偏振模式(LP模式)，LP模式并不是光纤真正的本征模式，它也不能携带轨道角动量。因此，文献(Optics Letters，2012，37(13)：2451-2453)报道了利用微弯光栅来消弱高阶LP11模式的生成，进而把输入模式转化为所需要的HE21模式，最终生成高纯度的涡旋光束。
理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性，因而所传输的基模HE11是正交模式的二重简并模态。然而在实际光纤中，由于缺陷的存在，这种二重简并被破坏，从而引起模态双折射，为了在标准单模光纤中维持这种模式偏振，人们设计了保偏光纤。保偏光纤使和模式的有效折射率不同，两正交模的传播常数βx与βy差别增大，两模式耦合几率减小，因此如果传输光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振化，那么光将一直保持这种偏振态在光纤中传输。
美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)提出了一种纤芯折射率仅随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤即可生成涡旋光束。虽然该涡旋光束生成器结构极为简单，但是制备这种光纤却非常困难，因此本发明在保偏光纤技术基础上，提出了一种新型非对称双折射涡旋光纤，这种涡旋光纤制备比较容易，可产生类涡旋光束。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可生成涡旋光传输模式的非对称双折射涡旋光纤及其制备方法。
本发明是这样实现的：
涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量，为了得到轨道角动量，光纤必须携带更高阶模式，例如，相移为±π/2的两个HE21模式的线性组合即可实现轨道角动量模式。由于本发明的非对称双折射涡旋光纤存在单螺旋或双螺旋应力区，并且双螺旋应力区的两个预应力棒中掺杂的材料不同，因此这种应力区的不对称分布或应力区材料的不同，就导致了在纤芯中的不对称应力双折射分布，并且该分布在光纤纵向呈螺旋状，因而当光波输入到该光纤后，会形成径向相位差，从而使其中传输的光场获得轨道角动量，产生涡旋相位传输，实现类涡旋光传输模式。
本发明的非对称双折射涡旋光纤与保偏光纤的不同在于，在本发明中，由于应力区的不对称分布或应力区材料的不同，不会出现保偏光纤的线性保偏特性，而是随着螺旋应力区的旋转，纤芯中传导光波的偏振态也随之旋转，出现涡旋光传输模式。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、非对称双折射涡旋光纤的制备简单，可直接由具有单螺旋或双螺旋应力区的光纤预制棒旋转拉制而成。
2、非对称双折射涡旋光纤的折射率螺旋分布函数和应力区掺杂材料在制备过程中是可控的，最终可实现对生成类涡旋光束特征的控制。
3、非对称双折射涡旋光纤空间柔韧性极好，因此可以选择在任意合适的位置和方向上输出类涡旋光束，便于在微粒操控和传感上的应用。
(四)附图说明
图1是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤示意图；
图2是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的横截面示意图；
图3是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的应力双折射(a)三维和(b)二维示意图；
图4是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的光强传输示意图；
图5是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤在(a)Z＝900μm、(b)Z＝1000μm、(c)Z＝1100μm和(d)Z＝1200μm横截面处的相位分布图；
图6是具有单应力区的光纤预制棒制备示意图；
图7是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的制备示意图；
图8是具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤示意图；
图9是具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的横截面示意图；
图10是具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的应力双折射(a)三维和(b)二维示意图；
图11是具有双应力区的光纤预制棒制备方法示意图；
图12是具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的制备方法示意图；
图13是带光源的尾纤与具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的连接示意图。
图14是带光源的尾纤与具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的连接示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1-图5，本发明第一种实施方式是这样实现的。
首先描述光波在经过一段本发明给出的非对称双折射涡旋光纤后如何产生涡旋光场的基本原理。取一段非对称双折射涡旋光纤，该光纤包括包层1、纤芯2和单螺旋应力区3。由于单螺旋应力区3的存在，对图2所示的光纤横截面进行应力分析就可以得到如图3所示的应力双折射分布(在图3(a)中，柱状栅栏所包围的区域表示纤芯区域，Z轴表示应力双折射大小Ny-Nx，在图3(b)中，灰度大小则表示应力双折射大小)，由于纤芯中存在这种非对称的应力双折射分布，所以当向该光纤的一端输入光源4时，该光纤即可生成类涡旋光传输模式，其光强传输如图4所示，在Z＝900μm、1000μm、1100μm和1200μm横截面处的相位分布如图5所示，由此可见，在该光纤中，传导光波具有涡旋相位，它是一种类涡旋光束。
其次给出非对称双折射涡旋光纤的制备方法。这种具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的制备过程可分为以下几个步骤(如图6和图7)：
步骤1：如图6，在含有芯5的光纤预制棒6中打入一偏心孔7，接着把应力区预制棒8***偏心孔7中，这样就得到具有单应力区的光纤预制棒9；
步骤2：如图7，把光纤预制棒9放置于拉丝塔上，在垂直牵引力10和扭转力11的共同作用下进行扭转拉丝，经过加热以及相应后处理12后即制备成具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤13。
结合图8和图9，区别于第一种实施方式，本发明第二种实施方式的非对称双折射涡旋光纤具有两个应力区14和15，形成双螺旋应力区结构。对于这种具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤，图10给出在纤芯中的应力双折射分布图，从图中可以看出其应力双折射的变化范围要大于具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤纤芯的应力双折射变化范围(图3)，因而这种光纤产生涡旋相位的能力更加突出。
这种具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的制备过程可分为以下几个步骤(如图11和图12)：
步骤1：如图11，在含有芯光纤预制棒6中打入两个对称偏心孔7，接着把两个掺杂材料不同的应力区预制棒16和17分别***两个对称偏心孔7中，这样就得到具有双应力区的光纤预制棒18；
步骤2：如图12，把光纤预制棒18放置于拉丝塔上，在垂直牵引力10和扭转力11的共同作用下进行扭转拉丝，经过加热以及相应后处理12后即制备成具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤19。
实施例1：
1、光纤制备：按照第一种实施方式的光纤制备方法制备出具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤13；
2、光源耦合：将制备好的具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤13进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤20对准、焊接，如图13所示；
3、涡旋光束生成：输入激光21后就会在具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤13中实现涡旋光模式传输，并可在光纤端输出类涡旋光束。
实施例2：
1、光纤制备：按照第二种实施方式的光纤制备方法制备出具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤19；
2、光源耦合：将制备好的具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤19进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤20对准、焊接，如图14所示；
3、涡旋光束生成：输入激光21后就会在具有双螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤19中实现涡旋光模式传输，并可在光纤端输出类涡旋光束。

Claims (6)

1.一种非对称双折射涡旋光纤，其特征是：所述的非对称双折射涡旋光纤包括纤芯、包层和应力区，其纤芯处于包层中心位置，应力区可为单应力区，也可为双应力区，单应力区只位于纤芯与包层外壁之间，而双应力区则对称分布于纤芯的两侧，并且双应力区的两个预应力棒的掺杂材料不同，整个应力区围绕光纤中轴线呈螺旋状分布，从而在光纤中形成单螺旋或双螺旋应力区，这种应力区的不对称分布或应力区材料的不同，导致了在纤芯中的不对称应力双折射分布，并且该分布在光纤纵向呈螺旋状，因而当光波输入到该光纤后，会形成径向相位差，从而获得轨道角动量，产生涡旋相位传输，实现类涡旋光传输模式。
2.一种非对称双折射涡旋光纤的制备方法，其制备步骤是：(1)在带芯光纤预制棒中打入偏心单孔或对称双孔，然后向单孔或双孔中***应力区预制棒，这样就得到具有单应力区或双应力区的光纤预制棒；(2)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行扭转拉丝，即可形成非对称双折射涡旋光纤。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单应力区掺杂材料可为常用的保偏光纤应力区的掺杂材料，例如B2O3、P2O5。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的基于非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的双应力区掺杂材料的特征是：一个应力区掺杂材料的膨胀系数大于包层，例如B2O3、P2O5；另一个应力区掺杂材料的膨胀系数小于包层，例如TiO2。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的基于非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单螺旋或双螺旋应力区的螺距H满足如下关系：H＞2π(β1-β2)-1，其中β1表示纤芯基模的传输常数，β2表示包层基模的传输常数。
6.根据权利要求1和权利要求2所述的基于非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的单螺旋或双螺旋应力区的周期分布特征是：恒定周期或变周期。
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