渐变折射率涡旋场光纤的制作方法

本发明涉及的是一种渐变折射率涡旋场光纤，可用于涡旋光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等，属于光纤技术领域。

(二)

背景技术：

众所周知，电磁波传输的不仅是能量还有动量，这是所有物体平移运动的一种特有性质，当电磁波的动量被其它物体吸收或散射时，就会形成“辐射压力”，从而对物体形成机械压力。同样，光波也存在着角动量，这是所有转动运动的一种特性。光波角动量在光轴上可以分解为自旋角动量和轨道角动量。其中特别的是，具有光轨道角动量的光波波前呈螺旋状，因此把此时的相位状态称为“相位涡旋”。实际上，光涡旋早在一个世纪前就被发现。在1909年，poynting首次提出光子的自旋，说明单个光子是圆偏振的。allen及其同事在1992年报道了螺旋相位光束包含一个角相位项exp(ilφ)，这表明每个光子含有(l为拓扑荷数，φ为方位角，为普朗克常量)的轨道角动量。当拓扑荷数为零(l＝0)时，光波没有轨道角动量，波前为平面。然而，当l＝+1(或l＝-1)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前呈现左旋(或右旋)单螺旋结构。同样，当l＝+2(或l＝-2)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前则为左旋(或右旋)双螺旋结构。由于其独特的性质(具有一个额外的角向自由度)，相位涡旋光波在光通信、微粒操纵、纳米尺度显微观测等方面具有突出的应用潜力。

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。xiuquanma等人(opticsexpress，2011，19(27)：26515-26528)公开了一种手性耦合芯光纤，该光纤包含一个笔直的中央纤芯和一个缠绕在中央纤芯上的螺旋状侧芯(侧芯直径远小于中央纤芯)，中央纤芯的作用是传输或增强信号，一旦中央纤芯的高阶模式耦合到侧芯，高阶模式的能量就会因为侧芯的螺旋结构而发生弯曲损耗，进而辐射出光纤，仅仅将低阶模式保留在中央纤芯中，最终在中央纤芯中实现有效的单模传输。产生有效的单模传输是该光纤的主要用途。然而，由于存在侧芯螺旋结构，中央纤芯传输的基模(lp01模式，无涡旋量)会和侧芯的高阶涡旋模式(例如lp11涡旋模式)发生谐振耦合，因而，此时可以在侧芯光纤中观察到涡旋模式。由于只有极少部分光能量可以转化侧芯的涡旋模式，因此这种光纤的涡旋模式转化效率极低，并且侧芯的涡旋光束也不易搜集。

另外的一种涡旋光束生成方法则是利用手性光纤实现。第一类材料(主要为折射率)手性涡旋光纤。美国专利(us20080101754)和欧洲专利(ep1705503b1)公开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。而中国专利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0)则公开了多种纤芯折射率呈手性分布的特种光纤用于生成相位涡旋光束，这种光纤制备则比较容易。第二类为空间结构手性涡旋光纤。美国专利(us6839486)公开了一种对偏芯、椭圆芯、矩形芯等扭转而成的手性结构光纤，该光纤不但可以实现光栅功能，同样可以生产涡旋光束。

为了拓展特种光纤器件的功能，本发明公开了一种可生成或传输涡旋光场的渐变折射率涡旋场光纤及其制备方法。可用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。与在先技术相比，本发明增加了一种周期性螺旋手性结构光纤及其制备方法，该光纤通过螺旋纤芯手性几何结构的周期性微扰来实现在中央纤芯传输的低阶线偏振纤芯模式与高阶涡旋模式之间的转化，从而产生高纯度涡旋光。此外，由于采用组棒法来制备光纤预制棒，我们可以通过组合不同折射率分布的纤芯预制棒阵列来有效地控制光纤拉制后环形纤芯的折射率分布，从而制备出具有多种折射率变化的涡旋场光纤。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可生成或传输涡旋光场的渐变折射率涡旋场光纤及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

该光纤包含包层1和环形纤芯2。其中，环形纤芯2位于包层1的中央，包层1的折射率始终为常数，以包层中心为原点建立极坐标系(r,θ)，则环形纤芯2的横截面折射率分布是方位角θ的周期性分布函数，而环形纤芯2沿着光纤纵向的折射率分布则呈现单螺旋或多螺旋状。由于环形纤芯2折射率的这种周期性微扰，使得环形纤芯2传输的低阶线偏振模式(例如lp01模式3，具有平面相位4)可转化为高阶的相位涡旋模式，在光纤端生成涡旋光束5(具有涡旋相位6)。

下面将详细阐述渐变折射率涡旋场光纤的螺旋纤芯结构实现涡旋光束生成的原理。如果把渐变折射率螺旋环形纤芯轮廓看出一个整体并对其傅里叶级数展开可以发现，这种结构可以看作由两部分构成：一部分是普通的环形纤芯；另一部分是周期性螺旋微扰项。这样就可以通过基于普通环形纤芯光纤的模式微扰理论来解释光波在渐变折射率涡旋场光纤中的传输。根据涡旋光纤的角动量选择定则公式

-mj+mk-m＝0，(1)

这里mj和mk分别为环形纤芯光纤模式j和模式k的方位角数，实际上mj-1等于对应涡旋模式的拓扑荷数。m表示折射率手性结构螺旋的个数。以具有左旋单螺旋环形纤芯的渐变折射率涡旋光纤(m＝+1)为例，输入的线偏振lp01模式可以分解为微扰前环形纤芯的左旋圆偏振模(即mj＝+1)和右旋圆偏振模(mj＝-1)。经过螺旋微扰后，由公式(1)可以判断出，纤芯基模左旋圆偏模式与左旋相位涡旋模式(mk＝+2)发生耦合，如图2(a)所示；而右旋圆偏模式则与两个偏振涡旋模式te01和tm01(mk＝0)耦合，如图2(b)所示。由于te01和tm01是兼并模式，因此这三个模式可统一表示成左旋涡旋模式当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时(假设此时的光纤模式耦合周期为t0)，线偏振基膜lp01就几乎全部转化为高阶纤芯左旋涡旋模式这样就生成了拓扑荷数为1的左旋涡旋模式，如图3(a)和(b)所示。从图3可以清楚地看出，生成的旋涡旋模式具有环形光强度分布和-π到π的角向变化涡旋相位分布。当然，在纤芯模式耦合的同时，纤芯模式也可能与包层模式，但是这些耦合都很小，不会对纤芯左旋涡旋模式的生成产生实质性影响。

以此类推，在其他左旋(或右旋)多螺旋纤芯的同轴双波导光纤(m＝1、2、3…)中，线偏振纤芯模lpn1和右旋涡旋纤芯模(或左旋涡旋纤芯模)发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，光能量就会几乎全部转化为模式(或模式)，最终在中央纤芯中生成了拓扑荷数为(n+m)的右旋(或左旋)涡旋模式。

(四)附图说明

图1是渐变折射率涡旋光纤的工作原理示意图。

图2是左旋渐变折射率涡旋光纤的模式耦合功率曲线：(a)左旋圆偏模式与左旋相位涡旋模式(b)右旋圆偏模式与纤芯模式te01和tm01。

图3是渐变折射率涡旋光纤生成的相位涡旋模式强度(左图)和相位(右图)分布示意图。

图4是渐变折射率涡旋光纤预制棒的制备示意图。

图5是渐变折射率涡旋光纤拉制示意图。

图6是渐变折射率涡旋光纤纤芯预制棒按照折射率分布函数的排列示意图：(a)多周期正弦函数分布；(b)多周期三角形折射率分布。

图7是相位涡旋光生成装置示意图。

(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3，本发明实施方式具有一段渐变折射率涡旋光纤(以具有左旋单螺旋渐变折射率涡旋光纤为例)，该光纤包含包层1和环形纤芯2。其中，环形纤芯2位于包层1的中央，包层1的折射率始终为常数，以包层中心为原点建立极坐标系(r,θ)，则环形纤芯2的横截面折射率分布是方位角θ的周期性分布函数并且周期数为1，而环形纤芯2沿着光纤纵向的折射率分布则呈现单螺旋状。由于环形纤芯2折射率的这种周期性微扰，使得环形纤芯2传输的具有平面相位4的线偏振基模3(lp01模式)转化为高阶的左旋相位涡旋模式5(模式，具有单螺旋结构的涡旋相位6)。从图2(a)和(b)可看出，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍(也就是光纤长度为(n+0.5)t0，n为非负整数，t0为模式耦合周期)时，纤芯线偏振模式lp01几乎全部转化为拓扑荷数为1的纤芯左旋涡旋模式(见图3(a)和(b)所示，模式由te01和tm01这三个模式兼并而成)，最后在光纤端输出高纯度的涡旋光束。

渐变折射率涡旋光纤的制备过程可分为以下两个步骤(见图4和图5)：

步骤1：渐变折射率涡旋光纤预制棒制备(见图4)。先采用mcvd制棒方法制备多个折射率不同的纤芯预制棒构件7；然后准备一个高纯石英外套管8和一个高纯石英内套管9，使外套管内侧与外套管外侧之间的空隙刚好可以嵌入制备好的纤芯预制棒构件7，并按折射率周期性分布函数的特征(例如采用图4所示的正弦函数的折射率排列方式10)紧密排列纤芯预制棒形成环形阵列结构，然后缩棒使得内套管的内部空气孔塌陷，环形纤芯预制棒热融形成类梯形结构并相互衔接成一个完整的环形纤芯结构，形成完整的光纤预制棒11；

步骤2：将制备好的光纤预制棒11放置在光纤拉丝塔上，并固定在旋转电机12上，光纤预制棒11经过加热炉13加热熔融并在垂直牵引力14和旋转电机12提供的扭转力的共同作用下旋转拉丝，最终拉制成含有螺旋环形纤芯结构的渐变折射率涡旋场光纤15，如图5所示。

此外，通过控制纤芯预制棒构件7的环形阵列的折射率排列方式(例如多周期正弦函数分布16(见图6(a))、多周期三角形折射率分布17(见图6(b))以及其他多周期函数折射率分布)，利用以上同样的光纤制备方法也可以制作其他左旋(或右旋)多螺旋纤芯的渐变折射率涡旋场光纤，从而可生成相应拓扑荷数的相位涡旋光场。

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明(见图7)。

步骤1：光纤制备：按照实施方式的光纤制备方法制作渐变折射率涡旋场光纤15；

步骤2：光源耦合：将单模光纤18、环形芯光纤19和制备好的渐变折射率涡旋场光纤15依次对准、焊接，如图7所示。其中，需要在单模光纤18和环形芯光纤19的焊点处实施热融拉锥形成单模光纤-环形芯光纤锥体20；

步骤3：涡旋光束生成：输入激光21，在偏振控制器22和单模光纤-环形芯光纤锥体20的作用下，在单模光纤18中传输的线偏振高斯形基模会转化成环形芯光纤19传输的线偏振环形基模，这样，在该环形模式激励下渐变折射率涡旋场光纤15就可输出涡旋光束5。