专利名称：基于阵列多芯的Airy光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤，优选地应用于使用光纤的光束生成、微粒操控、传感应用
坐寸O
背景技术：
光波在传播过程中始终保持不变被认为是无衍射光束，无衍射波最典型的例子是贝塞尔光束。1 979 年，M.V.Berry 等(Am.J.Phys.，1979，47 (3):246 267)在量子学的背景下，理论上推出薛定谔方程具有无衍射的Airy波包的解，该波包具有自由加速的特性。2007 年 Georgios A.Siviloglou 等(Opt.lett.,2007,32(8):979 981)首先研究了有限能量的加速Airy光束,并首次观察到Airy激光束的实验结果(Frontiers in Optics, OSA,2007.PDP_B3)，实验验证了 Airy激光束具有不同寻常的特点，能保持长距离无衍射(Phys.Rev.Lett., 1987,58(15):1499 1510 和 J.0pt.Soc.Am.A, 1987,4 (4):651 654)传播，并具有自由加速的特性。总之，Airy激光束具有以下非常诱人的3大特性:在传播过程中自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下弹丸运动的弹道；在传播过程中近似保持无衍射；在传播过程中具有自愈的特性(Opt.Commun.，1998，151 (4-6):207 211 和 Opt.Commun.，1998，151(4-6):207 211)。Airy激光束具有的这些独特的特性，因此有着广泛的应用潜力。Pavel Polynkindeng 等(Science, 2009, 324 (5924):229 232)使用二维 Airy 激光束的飞秒脉冲引发空气中非线性的等离子体细丝。J.Baumgartl等(Nature Photonics, 2008,2(11):675 678)利用Airy激光束照射在微米量级的交替颗粒样品室里，实现了在局部区间精确转移或清理光学颗粒。多芯光纤通常是指一组轴向平行的多个光纤芯置于普通的光纤包层之中形成的光纤。可以通过不同的拉制方法形成多种多芯光纤。美国专利(MulticoreGlassOptical Fiber and Methods of Manufacturing such Fibers， United States Patent，Patent Number6, 154, 594,2000)提出了截面形状为圆形、椭圆形以及其它形状的多芯光纤的制作方法；美国专利(Method for Producing Parallel Arrays of Fibers, UnitedStates Patent, Patent Number7, 209, 616B2, 2007)采用专用的拉丝收盘定位装置，拉制出晶体光纤(或者毛细管型光纤、或者多孔光纤、或者微结构多芯光纤阵列)；欧洲专利(Method of Producing Multi core Fibers, European PatentSpecification, PatentNumberO, 151, 804B1)将多个单芯光纤预制棒按照一定空间角度排列直接拉出平板多芯光纤或者星型多芯光纤。尽管Airy光束的研究和应用越来越广泛，但并未涉及利用阵列多芯光纤端出射场生成Airy光束。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在光纤端生成Airy光束的阵列多芯Airy光纤。
本发明的目的是这样实现的:在实验中，有限能量Airy激光束可以采用高斯光束通过立方相位的调制，再经过傅里叶透镜实现。因此，当高斯光入射进入一段Airy光纤(光纤芯的空间排布满足或近似满足于Airy函数)后，纤芯之间的光耦合可实现相位调制，通过改变Airy光纤的长度，可以使光纤端输出光场的强度和相位都满足或近似满足于Airy光束的光强分布，这样，就在Airy光纤端得到了 Airy光束或者准Airy光束。二维Airy激光束(如图1所示)在空间中传输如图2所示,从图中,可以看出Airy光束所具有的3大特性:(1)自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下的弹丸运动的弹道；(2)在传输过程中近似保持无衍射；(3)自愈特性，当Airy激光束某一主极大衰减到极小值之后，马上会逐渐“自愈”形成一个极大值。同样，不管是一维Airy光纤(如图3、4和5)还是二维Airy光纤(如图6、7和8)的出射光场，它们都继承了 Airy光束的部分特性，但是，由于图中Airy光纤纤芯数量的限制，使得Airy光纤端出射的光束只拥有数量有限的主极大，因此，自愈特性受到了抑制，而自由加速和无衍射特性也被消弱。与现有技术相比，本发明的优点为:1、Airy光纤出射端出射的光束继承或部分继承了 Airy光束的三大特性，和一般单模光纤出射端出射的光场相比，其无衍射传输距离要大几倍甚至更高。2、传统的Airy光束通过几何光路实现，而Airy光纤则把这些光路‘集成’在一起，结构微小，系统稳定，抗干扰能力强。3、由于Airy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Airy光束，便于在微粒操控和传感上的应用。
图1是二维Airy光束示意图；图2是二维Airy光束在空间中的传输示意图；图3是一维Airy光纤三维剖面图示意图；图4是一维Airy光纤的横截面示意图；图5是一维Airy光纤端出射光场在空间中的传输不意图；图6是二维Airy光纤三维剖面图示意图；图7是二维Airy光纤的横截面示意图；图8是二维Airy光纤端出射光场在空间中的传输示意图；图9是多组一维纤芯阵列非相交排列的Airy光纤横截面示意图；图10是多组二维纤芯阵列相交或非相交排列的Airy光纤横截面示意图；图11是Airy光纤端出射的准Airy光束光强、普通单模光纤出射高斯光束光强和Airy光束光强之间随传输距离变化的关系对比示意图；图12是纤芯为十字形阵列分布的Airy光纤端出射光场在空间中的传输；图13是带光源尾纤的一维Airy光纤示意图；图14是与多组一维纤芯阵列非相交排列的Airy光纤匹配的多芯光纤和光纤尾纤的焊接对准示意图；图15是带光源输入结构的多组一维纤芯阵列非相交排列的Airy光纤示意图16是带光源尾纤的二维Airy光纤示意图；图17是带光源输入结构的多组二维纤芯阵列非相交排列的Airy光纤示意具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:结合图3-图5，本发明第一种实施方式具有一组一维线性阵列纤芯排布的一维Airy光纤(包含涂层1、包层2和纤芯阵列3)。向一段一维Airy光纤的一端输入高斯光4，通过纤芯阵列3的光耦合，当这段一维Airy光纤的另一端的出射光场5的强度和相位刚好满足(或近似满足)一维Airy函数时，一维Airy光纤出射的光场将等同于(或近似等同于)Airy光束，它将继承(或部分继承)Airy光束的三大特性，保持无衍射继续传输一定距离，并具有自由加速的 特性。结合图6-图8，本发明第二种实施方式具有两组相互垂直相交的一维线性阵列纤芯排布的二维Airy光纤(包含涂层1、包层2和纤芯阵列3)。区别于一维Airy光纤，二维Airy光纤端出射光场的无衍射传输距离更远。第一种实施方式的纤芯排布可以扩展到多组一维阵列纤芯相交或非相交排布，如图9。同样,第二种实施方式的纤芯排布也可以扩展到多组二维阵列纤芯相交或非相交排布，如图10。相比于单组的一维或二维阵列纤芯排布Airy光纤，多组一维或二维阵列纤芯排布Airy光纤可根据需要改变每组纤芯的参数(折射率、芯径和芯于芯的间距)，以实现每组纤芯出射的Airy光束存在一定的光强差或相位差，使Airy光纤的应用更加广泛。Airy光纤纤芯排布方式对其无衍射传输距离影响非常巨大。图11表示普通单模光纤6、一维Airy光纤7、二维Airy光纤8、纤芯十字形分布的Airy光纤9的纤端出射光场和Airy光束10的传输光场的归一化光强随传输距离(Z)的变化关系。从图中可以看出，一般的一维或二维Airy光纤端出射的准Airy光束的无衍射传输距离远远大于高斯光束(普通单模光纤端出射光束可认为是高斯光束)，而一些特殊结构的Airy光纤(如图中的纤芯十字形分布的Airy光纤9)出射光束的无衍射传输距离甚至要远大于Airy光束，但由于结构对称性，这种结构失去了自由加速的特性(如图12)。实施例1:1、光源耦合:取一段一维Airy光纤，将一端的光纤涂覆层祛除、切割，然后与带光源尾纤的单模光纤11对准、焊接，如图13所示；2、封装保护:将内径大于标准光纤或一维Airy光纤的石英管调至图焊点12处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护；3、Airy光束生成:将一维Airy光纤的另一端(作为光束出射端)光纤涂覆层祛除、切割，输入激光13，观测一维Airy光纤出射端的光场5，若不满足Airy分布，则继续切割或研磨光纤端，直到出射光场5与Airy光束的相似度最大为止。实施例2:1、光源耦合:取一段纤芯与多组一维阵列纤芯非相交排列的Airy光纤相对应的多芯光纤14，如图14所示，将一端的光纤涂覆层祛除、切割，然后与带光源尾纤的单模光纤11对准、焊接，在图14所示的焊点15处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到多芯光纤的光功率达到最大为止；2、封装保护1:将内径大于多芯光纤或单模光纤的石英管调至图15所示的锥体耦合区16处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化；3、耦合连接:将多芯光纤另一端涂覆层祛除、切割，同时取一段多组一维阵列纤芯非相交排列的Airy光纤，将一端的光纤涂覆层祛除、切割，然后将它们对准、焊接，如图15所示；4、封装保护2:将内径大于多芯光纤或Airy光纤的石英管调至图焊点17处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护； 5、Airy光束生成:输入激光13，观测Airy光纤出射端的光场5，若不满足Airy分布，则继续切割或研磨光纤端，直到出射光场5与Airy光束的相似度最大为止。实施例3:实施例1和实施例2中的一维Airy光纤可由二维Airy光纤代替，如图16和图17。
权利要求
1.一种基于阵列多芯的Airy光纤由涂层、包层、一组或多组阵列芯构成，其特征是:所述的Airy光纤每一组阵列芯的空间排布满足或近似满足Airy函数，并且总会存在某一长度的Airy光纤，当向光纤一端输入高斯光束时，通过纤芯之间的光耦合，光纤另一端每一组阵列芯的出射光束的光强分布都满足或近似满足于Airy光束的光强分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列多芯的Airy光纤，其特征是:所述的某一长度的Airy光纤的长度值取决于光纤的折射率分布、每个纤芯的芯径和纤芯之间的间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列多芯的Airy光纤，其特征是:所述的一组光纤芯的几何分布特征是:两个或两个以上的实心纤芯一维线性阵列分布。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的基于阵列多芯的Airy光纤，其特征是:所述的多组阵列芯的几何分布特征是:两组或两组以上的一维线性阵列纤芯相交或非相交排列。
5.根据权利要求1-4任何一项所述的一种基于阵列多芯的Airy光纤，其特征是:所述的光纤芯的形状是:圆形、椭圆形和其它多边形的一种。
6.根据权利要求1-5任何一项所述的一种基于阵列多芯的Airy光纤，其特征是:所述的光纤芯的传输模 式的特征是:单模或多模。
全文摘要
本发明提供了一种基于阵列多芯的Airy光纤，包括涂层、包层、一组或多组阵列芯。该光纤的每一组阵列芯的空间排布满足或近似满足Airy函数，并且总会存在某一长度的Airy光纤，当向光纤一端输入高斯光束时，通过纤芯之间的光耦合，光纤另一端每一组阵列芯的出射光束的光强分布满足或近似满足Airy光束的光强分布。本发明基于阵列多芯的Airy光纤，该光纤纤端出射的光束继承或部分继承了Airy光束的三大特性，即光束具有横向加速、无衍射和自愈能力，整体上具有结构微小、操作灵活、系统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。
文档编号G02B6/02GK103246008SQ20121003118
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者苑立波, 邓洪昌 申请人:无锡万润光子技术有限公司