CN103969739A - 基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线性折射率分布纤芯的涡旋光纤及其制备方法，该光纤由纤芯折射率呈线性分布的光纤进行热熔扭转而成，因此该光纤纤芯的折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺旋曲线分布。这种折射率分布可以导致传导光波形成径向相位差，从而使得光纤中传输的光波获得轨道角动量，同时在光强和相位上形成涡旋传输，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。可以用于光束生成、微粒操控、传感应用等。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种光纤及其制备技术，具体涉及一种基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法。
(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制作紧密型涡旋光器件上更具优势。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。
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，因此本发明提出了由纤芯折射率线性分布的光纤热熔扭转而成的新型涡旋光纤，这种涡旋光纤不但制备比较容易，而且可同时在光强和相位上获得涡旋。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可生成类涡旋光传输模式的涡旋光纤及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
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。由于本发明的涡旋光纤的纤芯折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺旋曲线分布，因而当光波输入到涡旋光纤时，会因折射率分布的差异而形成径向相位差，从而使传导光波获得轨道角动量，同时在光强和相位上形成涡旋传输，实现类涡旋光传输模式。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、涡旋光纤的制备简单，可直接由纤芯折射率线性分布的光纤热熔扭转而成。
2、涡旋光纤的折射率螺旋分布函数在制备过程中是可控的，最终可实现对生成涡旋光束特征的控制。
3、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是纤芯折射率分布为螺距恒定的螺旋曲线的涡旋光纤示意图；
图2是图1涡旋光纤的横截面折射率分布(a)三维(b)二维和(c)一维示意图；
图3是涡旋光纤的归一化光强传输图；
图4是涡旋光纤在(a)Z＝1000μm、(b)Z＝1100μm、(c)Z＝1200μm和(d)Z＝1300μm横截面处的相位分布图；
图5是折射率线性分布的保偏光纤示意图；
图6是涡旋光纤的制备示意图；
图7是纤芯折射率分布为螺距变化的螺旋曲线的涡旋光纤示意图；
图8是带光源的尾纤与纤芯折射率分布为螺距恒定的螺旋曲线的涡旋光纤连接示意图；
图9是带光源的尾纤与纤芯折射率分布为螺距变化的螺旋曲线的涡旋光纤连接示意图；
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-图4，本发明第一种实施方式具有一段涡旋光纤，其包层1的折射率分布为恒定常数ncl，而纤芯2的折射率在横向呈线性分布(如图2，最小值为n1，最大值为n2)，在纵向呈螺距恒定的螺旋曲线分布3。向该涡旋光纤的一端输入光源4，在涡旋光纤中即可生成涡旋光传输模式，同时实现如图3所示的光强涡旋和如图4所示的相位涡旋。
该光纤的制备过程可分为以下几个步骤(如图5-图6)：
步骤1：如图5所示，选取一段保偏光纤6，该光纤包层7的折射率分布为恒定常数ncl，而纤芯8的折射率为线性分布(最小值为n1，最大值为n2)；
步骤2：如图6所示，用光纤夹具9固定好保偏光纤6一端，另一端施加一垂直负载10，使保偏光纤6一直保持垂直状态；
步骤3：对固定好的保偏光纤6进行加热，待加热区域11内的光纤处于熔融状态时施加一轴向扭转力12；
步骤4：停止加热，待加热区11内的光纤冷却后即得到涡旋光纤13。
结合图7，本发明第二种实施方式与第一种实施方式类似，但此时的涡旋光纤纤芯2的折射率在横向仍呈线性分布，但在纵向却呈螺距变化的螺旋曲线分布14，在制备过程中，可以通过控制扭转力12的扭转速度来实现这种折射率分布。
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涡旋光纤13；
2、光源耦合：将制备好的涡旋光纤13进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤15对准、焊接，如图8所示；
3、涡旋光束生成：输入激光16后就会在涡旋光纤13中实现涡旋光模式传输，并在可在光纤端输出类涡旋光束。
实施例2：
实施例1中的涡旋光纤13可由折射率分布螺旋曲线的螺距变化的涡旋光纤17代替，如图9。
Claims (4)
1.一种基于线性折射率分布纤芯的涡旋光纤，其特征是：所述的涡旋光纤包括包层和纤芯，其纤芯的折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺旋曲线分布，当光波输入到涡旋光纤时，会因折射率分布的差异而形成径向相位差，从而使传导光波获得轨道角动量，同时在光强和相位上形成涡旋传输，实现类涡旋光传输模式。
2.一种基于线性折射率分布纤芯的涡旋光纤的制备方法，其制备步骤是：(1)将一段纤芯折射率线性分布的光纤一端固定，另一端施加一垂直(水平)负载，使之一直保持垂直(水平)状态；(2)将该光纤进行加热，待光纤处于熔融状态时进行扭转；(3)将处于扭转状态的光纤冷却定型后即形成涡旋光纤。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的涡旋光纤纤芯折射率在纵向上呈螺旋分布的螺距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。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法，其特征是：所述的涡旋光纤纤芯折射率在纵向上呈螺旋分布的周期特征是：恒定周期或变周期。
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