一种光纤自加速光束产生装置及制备方法

1.本发明涉及光束整形技术领域，尤其是涉及一种光纤自加速光束产生装置及制备方法。


背景技术：

2.自加速光束是指在自由空间中具有弯曲传播特性的新型特殊光束。自加速光束已广泛应用于微粒捕获、光学成像、精密制造等领域。利用光纤获得具有自加速性质的光束与通过复杂笨重的体光学元件获得光束的方法相比，具有体积减小，避免对准问题，结构稳定性好等优点。
3.现有的光纤自加速光束制造方法，多采用化学蚀刻、微纳加工、机械抛光等手段，存在可重复性差、成本高昂、工艺复杂等问题。
4.中国专利cn200710085537.2公开了一种用光致聚合透镜和相关光学部件对光纤的改进，光致聚合透镜并未获得具有自加速性质的光束。all-fiber self-accelerating bessel-like beam generator and its application一文中，作者使用全光纤设计，将单模光纤和一段多模光纤偏心焊接获得了具有自加速性质的类贝塞尔光束，但是制作过程比较复杂。accurate microthermometer based on off center polymer caps onto optical fiber tips一文中，oskar arrizabalaga等作者切割单模光纤使得端面存在小角度，在单模光纤的端面上沉积紫外光固化聚合物，在外部紫外光照射下形成了偏心球形微帽，用于温度传感；使用光纤切割器获得的小角度光纤端面，典型角度固定(约0.5
°
)，端面易损坏，不利于改进设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种光纤自加速光束产生装置及制备方法，解决上述提到的技术问题。本发明通过在单模光纤端面制备光聚合物偏心透镜来获得具有自加速性质的光纤光束，光束径向加速度大、成本低廉、可重复性好。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种光纤自加速光束产生装置，包括单模光纤和光聚合物偏心透镜，光聚合物偏心透镜位于光纤的端面上；光聚合物偏心透镜覆盖单模光纤纤芯且关于单模光纤轴线不对称，光聚合物偏心透镜全部结构位于单模光纤纤芯的一侧，光聚合物偏心透镜的轮廓与单模光纤纤芯边缘相切。
7.优选的，所述光聚合物偏心透镜的高度为1微米至100微米。
8.上述光纤自加速光束产生装置的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、利用表面张力在单模光纤端面沉积光聚合物液体，形成光聚合物液滴；
10.s2、使用配合单模光纤与单模光纤相对放置，配合单模光纤与单模光纤轴向形成一定角度；
11.或，将多模光纤与单模光纤平行相对设置，多模光纤与单模光纤不同轴；
12.s3、将固化激光耦合入单模光纤和配合单模光纤，或单模光纤和多模光纤；通过固
化激光对单模光纤端面的光聚合物液滴进行固化，使用乙醇溶剂将液态未固化的光聚合物液滴洗去，获得光聚合物偏心透镜。
13.优选的，所述s2中，配合单模光纤与单模光纤轴向的夹角大于0
°
并且小于180
°
。
14.本发明所述的一种光纤自加速光速产生装置及制备方法的优点和积极效果是：
15.1、本发明提供了一种高效、低成本、便捷的自加速光束生成装置，全光纤设计保证了抗干扰性强，获得的自加速光束质量高、装置工作波长范围宽。
16.2、利用光致聚合效应，光聚合物在光纤端面生长偏心透镜结构，光纤自加速光束产生装置制备工艺简单，可重复性好，成本低廉，可广泛应用于非线性光学、光刻、精密制造、光纤光镊等领域。
17.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
18.图1为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例的结构示意图；
19.图2为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例的单模光纤端面沉积光聚合物液滴结构示意图；
20.图3为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例一的制备方法示意图；
21.图4为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例二和实施例三的制备方法示意图；
22.图5为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法生成自加速光束的原理示意图；
23.图6为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例产生的自加速光束仿真图。
24.附图标记
25.1、单模光纤；2、单模光纤纤芯；3、光聚合物偏心透镜；4、光聚合物液滴；5、固态光聚合物；6、固化激光；7、配合单模光纤；8、配合单模光纤纤芯；9、多模光纤；10、多模光纤纤芯；11、高斯光束；12、自加速光束。
具体实施方式
26.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
27.实施例1
28.图1为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例的结构示意图，图5为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法生成自加速光束的原理示意图，图6为本发明一种光纤自加速光束产生装置及制备方法实施例产生的自加速光束仿真图。一种光纤自加速光束产生装置，包括单模光纤1和光聚合物偏心透镜3，光聚合物偏心透镜3依靠沉积在单模光纤1端面的光聚合物液滴4发生光致聚合效应获得的。光聚合物偏心透镜3位于光纤的端面上，光聚合物偏心透镜3覆盖单模光纤纤芯2且关于单模光纤1轴线不对称。光聚合物偏心透镜3全部结构位于单模光纤纤芯2的一侧，光聚合物偏心透镜3的轮廓与单模光纤纤芯2边缘相切。
29.光聚合物偏心透镜3的高度为1微米至100微米。
30.光纤自加速光束12产生装置的原理是：将高斯光束11耦合入单模光纤1的模光纤纤芯中，高斯光束11到达聚合物偏心透镜表面不同位置，聚合物偏心透镜上不同点的波矢量干涉重塑了由单模光纤1引起的基模，波矢间相互叠加，在聚合物偏心透镜后形成具有自加速热性的自加速光束12。
31.光纤自加速光束12产生装置的制备方法，包括以下步骤：
32.s1、将单模光纤1垂直插入液态光聚合物中，并向上提拉，利用表面张力在单模光纤1端面获得半球形的沉积光聚合物液体，形成光聚合物液滴4；如图2所示。
33.液态光聚合物由曙红y、甲基二乙醇胺、季戊四醇三丙烯酸酯按比例混合而成，将4％重量百分比的甲基二乙醇胺和0.5％重量百分比的曙红y依次添加到余量的季戊四醇三丙烯酸酯溶剂中。使用氩离子激光器输出绿色激光可以使该光聚合物液滴4固化。
34.s2、使用配合单模光纤7与单模光纤1相对放置，配合单模光纤7与单模光纤1轴向形成一定角度；配合单模光纤7与单模光纤1轴向的夹角大于0
°
并且小于180
°
，如图3所示。
35.s3、将固化激光6耦合入单模光纤纤芯2和配合单模光纤纤芯8，通过固化激光6对单模光纤1端面的光聚合物液滴4进行固化。由于光聚合物液滴4受光不均匀，端面沉积的光聚合物液滴4发生光致聚合效应，由于固化激光6照射一段时间之后，受激光照射一侧光聚合物液滴4固化，而另一侧仍保持液体状态，因此在端面的一侧形成固态光聚合物5，使用乙醇将液态未固化的光聚合物液滴4洗去，获得光聚合物偏心透镜3；得到光纤自加速光束12产生装置。
36.固化激光6为氩离子激光器输出绿色激光。
37.通过控制单模光纤1端面光聚合物液滴4的高度和光场能量分布来控制光聚合物偏心透镜3的外形。不同结构的光聚合物偏心透镜3获得的自加速光束12轨迹不同。
38.实施例2
39.本实施例与实施例1不同之处在于，制备方法不同。
40.光纤自加速光束12产生装置的制备方法，包括以下步骤：
41.s1、将单模光纤1垂直插入液态光聚合物中，并向上提拉，利用表面张力在单模光纤1端面获得半球形的沉积光聚合物液体，形成光聚合物液滴4；如图2所示。
42.液态光聚合物由曙红y、甲基二乙醇胺、季戊四醇三丙烯酸酯按比例混合而成，将8％重量百分比的甲基二乙醇胺和0.5％重量百分比的曙红y依次添加到余量的季戊四醇三丙烯酸酯溶剂中。使用倍频nd/yag激光器输出绿色激光可以使该光聚合物液滴4固化。
43.s2、使用多模光纤9与单模光纤1相对放置，多模光纤9与单模光纤1平行，并且轴线不在同一条直线上，如图4所示。
44.s3、将固化激光6耦合入单模光纤纤芯2和多模光纤纤芯10，通过固化激光6对单模光纤1端面的光聚合物液滴4进行固化。由于光聚合物液滴4受光不均匀，端面沉积的光聚合物液滴4发生光致聚合效应，由于固化激光6照射一段时间之后，受激光照射一侧光聚合物液滴4固化，而另一侧仍保持液体状态，因此在端面的一侧形成固态光聚合物5，使用乙醇将液态未固化的光聚合物液滴4洗去，获得光聚合物偏心透镜3；得到光纤自加速光束12产生装置。
45.固化激光6为倍频nd/yag激光器输出绿色激光。
46.实施例3
47.本实施例与实施例1不同之处在于，制备方法不同。
48.s1、使用移液器或光纤尖蘸取光聚合物液体转移到单模光纤1的端面上，利用表面张力在单模光纤1端面获得半球形的沉积光聚合物液体，形成光聚合物液滴4，如图2所示。
49.这种方法可以有效控制半球形光聚合物液滴4的高度，进而控制装置产生的自加速光束12的传播轨迹。
50.液态光聚合物由irgacure819、季戊四醇三丙烯酸酯按比例混合而成，将1％重量百分比的irgacure819添加到余量的季戊四醇三丙烯酸酯溶剂中。使用波长为405nm的激光对该光聚合物液滴4固化。
51.s2、使用多模光纤9与单模光纤1相对放置，多模光纤9与单模光纤1平行，并且轴线不在同一条直线上，如图2所示。
52.s3、将固化激光6耦合入单模光纤纤芯2和多模光纤纤芯10，通过固化激光6对单模光纤1端面的光聚合物液滴4进行固化。由于光聚合物液滴4受光不均匀，端面沉积的光聚合物液滴4发生光致聚合效应，由于固化激光6照射一段时间之后，受激光照射一侧光聚合物液滴4固化，而另一侧仍保持液体状态，因此在端面的一侧形成固态光聚合物5，使用乙醇将液态未固化的光聚合物液滴4洗去，获得光聚合物偏心透镜3；得到光纤自加速光束12产生装置。
53.固化激光6为波长为405nm的激光。
54.因此，本发明采用上述结构的光纤自加速光束产生装置及制备方法，利用光致聚合效应，光聚合物在光纤端面生长偏心透镜结构，可以获得具有自加速性质的光纤光束。光纤自加速光束产生装置制备工艺简单，可重复性好，成本低廉，可广泛应用于非线性光学、光刻、精密制造、光纤光镊等领域。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。