螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器的制作方法

本发明涉及的是一种螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器及其制造方法，属于光纤技术领域。

(二)

背景技术：

涡旋是普遍存在于自然界中的一种拓扑形态，其性质已经得到了较为深入的研究，并在生产生活以及科研等领域得到了广泛的应用。

涡旋是任何波动现象的一种固有属性，因此，作为电磁波的一种，光波也存在着涡旋现象。由于涡旋光的特殊性，其在很多领域已经显示出了巨大的应用潜力。例如，涡旋光可以用于对微粒进行捕获、平移以及转动等一些列微操作，这种操作不同于传统的操作方式，有着非接触、非入侵的特点，将有望促进生命科学领域的快速发展。同时，涡旋光在信息编码方面也显现出了巨大的优势，可以很大程度上提高信息传输的保密性。

文献(leehp.generationoflightwithorbitalangularmomentuminopticalfiberviaacousto-opticinteraction[c]//nanotechnologymaterialsanddevicesconference，2006.nmdc2006.ieee.ieee，2006，1∶246-249.)介绍了一种可以通过声光作用产生涡旋光束的方法。作者在去除保护层的单模光纤上制作了两个相互叠加，且振动方向互相垂直的压电陶瓷片。通过调节加在压电陶瓷片上的电信号类型，实现对压电结构所产生的声波的振幅以及相位的控制，并通过适当的调节，可以生成具有角动量的涡旋声波。该涡旋声波中的声子与光纤纤芯中的光子相互作用，由于自旋以及轨道角动量的守恒，芯模中的光子转化为包层模中带有角动量的光子，产生涡旋现象。

本专利公开了一种螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器及其制造方法。该涡旋场发生器采用了压电陶瓷的喷墨打印技术，可以灵活的将螺旋状压电结构制作在光纤的表面。通过控制输入到微型换能器上的电压信号，利用压电陶瓷的逆压电效应在光纤径向上引起折射率的变化，产生相位差，进而使得光波获得轨道角动量，产生涡旋相位。与现有的技术相比，该发生器通过调节输入电压可以实现涡旋光的灵活控制，同时，在体积上大大减小，集成度明显提高，制作工艺更加精良。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、集成度高的螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器。

本发明的目的是这样实现的：

该声光调制器是由光纤1、内层金属阵列电极2、压电陶瓷阵列3、外层金属阵列电极4、纵向压电陶瓷阵列11、纵向金属阵列电极12、可编程阵列电极5、金属引线6、引脚7、石英基底8、陶瓷基底9、外壳10组成。利用喷墨打印技术可以将螺旋状的压电结构制备在光纤的表面，通过调节输入到压电结构的电压信号将使得压电陶瓷产生振动，并对光纤进行挤压。由于压电结构采用螺旋状，因此，在光纤纤芯内将产生相应的螺旋的折射率分布。这种横向上不均匀的折射率分布进而引起双折射，导致径向相位差的产生，从而使得沿光纤传播的光波产生轨道角动量，生成涡旋光。

首次将喷墨打印技术用于螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器的制作，将压电换能结构做成螺旋状微结构，提高了器件的集成度。其中压电陶瓷墨水由纳米级锆钛酸铅陶瓷粉、分散剂以及部分有机溶剂配制而成。

该螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器中，压电结构采用了螺旋形的压电结构，通过控制打印过程中光纤的轴向运动，可以实现不同螺距压电结构的设计。其排列方式采用了微阵列式的周期性排列方式，有利于提高声波的耦合效率。

压电结构中的压电陶瓷以及内、外层金属电极阵列的制备过程中，光纤的旋转以及步进电机的轴向运动均通过计算机准确控制。制备压电陶瓷过程中所采用的喷墨打印技术，同样采用计算机来实现对喷墨位置的控制。

通过金属溅射镀膜以及压电陶瓷的喷墨打印技术可以实现多种螺旋型压电结构的设计。

(四)附图说明

图1是螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器及径向作用型压电结构示意图。

图2是螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器中纵向作用型压电结构示意图。

图3是基于径向作用型压电结构的仿真模型。

图4是径向作用型压电结构对光纤表面应力作用的仿真结果。

图5是附图3基于径向作用型压电结构的仿真模型中a处纤芯横截面内折射率的仿真结果。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图1给出了螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器实例。由光纤1、内层金属阵列电极2、压电陶瓷阵列3、外层金属阵列电极4、纵向压电陶瓷阵列11、纵向金属阵列电极12、可编程阵列电极5、金属引线6、引脚7、石英基底8、陶瓷基底9、外壳10组成。利用喷墨打印技术可以将螺旋状的压电结构制备在光纤的表面，通过调节输入到压电结构的电压信号将使得压电陶瓷产生振动，并对光纤进行挤压。由于压电结构采用螺旋状，因此，在光纤纤芯内将产生相应的螺旋的折射率分布。这种横向上不均匀的折射率分布进而引起双折射，导致径向相位差的产生，从而使得沿光纤传播的光波产生轨道角动量，生成涡旋光。本发明可广泛用于光纤通信以及光纤传感领域。

该光纤涡旋场发生器中每个压电单元的工作原理均基于压电陶瓷的逆压电效应，通过压电方程可以确定压电陶瓷内力学量与电学量之间的关系。将压电方程与压电陶瓷的动力学方程及应变-位移的关系式联立求解，并根据边界条件，可以确定压电陶瓷随所加电信号在径向、纵向以及圆周方向产生的应力与应变。以径向作用型压电结构为例，图3为通过软件构建的仿真模型，图4为压电结构在光纤表面产生的应力，易知，其应力分布呈螺旋型。

作用在光纤上的应力将使光纤产生相应的应变，并进一步导致光纤内折射率的变化，图5为仿真模型中a处横截面内折射率的仿真结果，容易看出，其折射率在径向分布不均匀。

螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器的具体制造方法如下：

(1)径向压电结构的螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器，其制造方法：

利用金属靶溅射对光纤进行镀膜，在镀膜的过程当中，采用掩模版进行掩模。同时，转动光纤，并利用步进电机控制光纤的轴向运动，从而可以形成螺旋状的内层金属阵列电极。

通过喷墨机将压电陶瓷墨水直接打印到内层金属阵列电极的表面上。在打印过程中，利用计算机准确的控制打印位置的同时，控制好光纤的转动以及步进电机的轴向运动速率，保证压电陶瓷墨水能够打印到螺旋形内层金属阵列电极的表面。在打印的同时，预留部分电极不被压电陶瓷墨水覆盖，用于连接金属引线。随后，将带有压电墨水的光纤通过高温炉进行烧结成型。

再次使用金属靶溅射镀膜的技术，利用计算机控制光纤的旋转以及轴向的运动，可以将外层阵列电极紧密的制备在压电陶瓷的表面。

通过超声金丝焊接机，将金属引线分别与压电陶瓷上下表面的内层以及外层金属阵列电极相连接，以便将电压信号以编码的形式加到压电陶瓷阵列上。

对压电陶瓷进行极化处理，使其成为径向作用型压电陶瓷。随后，利用紫外胶将带有压电结构的光纤固定在石英基底上，并采用3d打印技术对其进行封装处理。

(2)纵向压电结构的螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器，其制造方法：

利用喷墨机将压电陶瓷墨水打印到光纤的表面。在打印过程中，利用计算机准确的控制打印位置的同时，控制好光纤的转动以及步进电机的轴向运动速率，保证压电陶瓷墨水能够以螺旋形打印到光纤的表面。随后，将带有压电墨水的光纤通过高温炉进行烧结成型。

利用金属靶溅射在压电陶瓷两侧的光纤表面上进行镀膜，在镀膜的过程当中，采用掩模版进行掩模。同时，利用计算机控制光纤的转动以及步进电机的轴向运动，从而保证能够将金属电极紧密的制备在压电陶瓷的两侧。

通过超声金丝焊接机，将金属引线分别与压电陶瓷左右两侧的金属电极相焊接，以便将电压信号以编码的形式加到压电陶瓷阵列上。

对压电陶瓷进行极化处理，使其成为纵向作用型压电陶瓷。随后，利用紫外胶将带有压电结构的光纤固定在石英基底上，并采用3d打印技术对其进行封装处理。

参照纵向以及径向作用的螺旋微阵列模式调制型光纤涡旋场发生器的制作方法，利用金属镀膜以及压电陶瓷的喷墨打印技术，可以实现多种类型的光纤涡旋场发生器的制备。通过控制输入到压电结构的电压信号的类型以及频率可以实现对输出涡旋光的调制。