[發(fā)明專利]一種可生成渦旋光及環(huán)形場的同軸雙波導(dǎo)光纖及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN109752790B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑立波;鄧洪昌
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供的是一種可生成渦旋光及環(huán)形場的同軸雙波導(dǎo)光纖及其制備方法。其特征是：該光纖包含包層1、中央圓形少模纖芯2、螺旋纖芯3以及環(huán)形纖芯4。其中，少模纖芯2位于包層1的中央，螺旋纖芯3環(huán)繞在少模纖芯2上，環(huán)形纖芯4與少模纖芯2的中軸重合。一方面，由于螺旋纖芯3的周期性微擾，使得少模纖芯2傳輸?shù)牡碗A線偏振模式(例如LP₁₁模式5)可轉(zhuǎn)化為高階的相位渦旋模式，在光纖端生成渦旋光束6。另一方面，當(dāng)向環(huán)形纖芯4耦合輸入高斯光場7(或者環(huán)形光場)時，會在環(huán)形纖芯4中激發(fā)出環(huán)形傳輸模式，最終在光纖端輸出環(huán)形光場8。該光纖可通過直接熱融旋轉(zhuǎn)拉絲或先拉絲再熱融扭轉(zhuǎn)的方法制備。本發(fā)明可用于渦旋光束和環(huán)形光束生成及傳輸、光通信、光傳感、光操縱等領(lǐng)域。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種可生成渦旋光及環(huán)形場的同軸雙波導(dǎo)光纖及其制備方法，可用于渦旋光束和環(huán)形光束生成及傳輸、光通信、光傳感、光操縱等，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

眾所周知，電磁波傳輸?shù)牟粌H是能量還有動量，這是所有物體平移運(yùn)動的一種特有性質(zhì)，當(dāng)電磁波的動量被其它物體吸收或散射時，就會形成“輻射壓力”，從而對物體形成機(jī)械壓力。同樣，光波也存在著角動量，這是所有轉(zhuǎn)動運(yùn)動的一種特性。光波角動量在光軸上可以分解為自旋角動量和軌道角動量。其中特別的是，具有光軌道角動量的光波波前呈螺旋狀，因此把此時的相位狀態(tài)稱為“相位渦旋”。實際上，光渦旋早在一個世紀(jì)前就被發(fā)現(xiàn)。在1909年，Poynting首次提出光子的自旋，說明單個光子是圓偏振的。Allen及其同事在1992年報道了螺旋相位光束包含一個角相位項exp(ilφ)，這表明每個光子含有(l為拓?fù)浜蓴?shù)，φ為方位角，為普朗克常量)的軌道角動量。當(dāng)拓?fù)浜蓴?shù)為零(l＝0)時，光波沒有軌道角動量，波前為平面。然而，當(dāng)l＝+1(或l＝-1)時，光波中的每個光子含有能量的左旋(或右旋)軌道角動量，光波的波前呈現(xiàn)左旋(或右旋)單螺旋結(jié)構(gòu)。同樣，當(dāng)l＝+2(或l＝-2)時，光波中的每個光子含有能量的左旋(或右旋)軌道角動量，光波的波前則為左旋(或右旋)雙螺旋結(jié)構(gòu)。由于其獨特的性質(zhì)(具有一個額外的角向自由度)，相位渦旋光波在光通信、微粒操縱、納米尺度顯微觀測等方面具有突出的應(yīng)用潛力。

生成渦旋光束的最常見方法是使用空間光調(diào)制器(Optics Express，2008，16(21)：16984-16992)，然而空間光調(diào)制器一般體積龐大，價格昂貴，并且需要在自由空間中實現(xiàn)光耦合，這樣就帶來許多不便。Xiuquan Ma等人(Optics Express，2011，19(27)：26515-26528)公開了一種手性耦合芯光纖，該光纖包含一個筆直的中央纖芯和一個纏繞在中央纖芯上的螺旋狀側(cè)芯(側(cè)芯直徑遠(yuǎn)小于中央纖芯)，中央纖芯的作用是傳輸或增強(qiáng)信號，一旦中央纖芯的高階模式耦合到側(cè)芯，高階模式的能量就會因為側(cè)芯的螺旋結(jié)構(gòu)而發(fā)生彎曲損耗，進(jìn)而輻射出光纖，僅僅將低階模式保留在中央纖芯中，最終在中央纖芯中實現(xiàn)有效的單模傳輸。產(chǎn)生有效的單模傳輸是該光纖的主要用途。然而，由于存在側(cè)芯螺旋結(jié)構(gòu)，中央纖芯傳輸?shù)幕?LP₀₁模式，無渦旋量)會和側(cè)芯的高階渦旋模式(例如LP₁₁渦旋模式)發(fā)生諧振耦合，因而，此時可以在側(cè)芯光纖中觀察到渦旋模式。由于只有極少部分光能量可以轉(zhuǎn)化側(cè)芯的渦旋模式，因此這種光纖的渦旋模式轉(zhuǎn)化效率極低，并且側(cè)芯的渦旋光束也不易搜集。

另外的一種渦旋光束生成方法則是利用手性光纖實現(xiàn)。第一類材料(主要為折射率)手性渦旋光纖。美國專利(US20080101754)和歐洲專利(EP1705503B1)公開了一種纖芯折射率僅隨方位角變化的梯度折射率光纖，這種光纖可看成是縱向伸長的空間相位板，利用該光纖即可生成渦旋光束。雖然該渦旋光束生成器結(jié)構(gòu)極為簡單，但是制備這種光纖卻非常困難。中國專利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0)也公開了多種纖芯折射率呈手性分布的特種光纖用于生成相位渦旋光束。第二類為空間結(jié)構(gòu)手性渦旋光纖。美國專利(US6839486)公開了一種對偏芯、橢圓芯、矩形芯等扭轉(zhuǎn)而成的手性結(jié)構(gòu)光纖，該光纖不但可以實現(xiàn)光柵功能，同樣可以生產(chǎn)渦旋光束。