非對(duì)稱雙折射渦旋光纖及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種非對(duì)稱雙折射渦旋光纖及其制備方法，該光纖由具有單應(yīng)力區(qū)或雙應(yīng)力區(qū)的光纖預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)拉制而成，因此該光纖存在單螺旋或雙螺旋應(yīng)力區(qū)，并且由于應(yīng)力區(qū)的不對(duì)稱分布或應(yīng)力區(qū)材料的不同而在光纖纖芯中產(chǎn)生螺旋分布的不對(duì)稱應(yīng)力雙折射，導(dǎo)致傳導(dǎo)光波形成徑向相位差，從而可使在其中傳輸?shù)墓獠ǐ@得軌道角動(dòng)量，產(chǎn)生渦旋相位傳輸，實(shí)現(xiàn)類渦旋光傳輸模式。該光纖在整體上具有結(jié)構(gòu)微小、操作靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以用于渦旋光束的生成、微粒操控、傳感應(yīng)用等。

Asymmetric birefringent vortex optical fiber and preparation method thereof

The present invention discloses a kind of asymmetric vortex birefringence optical fiber and its preparation method, the optical fiber by a single stress zone or double stress region of the optical fiber preform rotation drawn, so the fiber has a single helix or double helix stress zone, and because of the asymmetric distribution of stress or stress area the different materials in the fiber core of asymmetric distribution of spiral stress birefringence, resulting in light waves to form a radial phase difference, thereby, in which the transmission of light to obtain orbital angular momentum, the vortex phase transmission, the implementation class vortex transmission mode. The optical fiber has the characteristics of small structure, flexible operation, stable system and strong anti-interference ability, and can be used for the generation of vortex beams, particle manipulation and sensing applications.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
非對(duì)稱雙折射渦旋光纖及其制備方法(一)
本專利技術(shù)涉及一種光纖及其制備技術(shù)，具體涉及一種非對(duì)稱雙折射渦旋光纖及其制備方法，屬于光纖
(二)
技術(shù)介紹
渦旋光束的一個(gè)顯著特征是具有軌道角動(dòng)量(PhysicalReviewA，1992，45(11)：8185-8189)，因此近年來(lái)被廣泛研究，并在通信、光鑷、原子操縱和顯微技術(shù)中得到了極大應(yīng)用。生成渦旋光束的最常見(jiàn)方法是使用空間光調(diào)制器(OpticsExpress，2008，16(21)：16984-16992)，然而空間光調(diào)制器一般體積龐大，價(jià)格昂貴，并且需要在自由空間中實(shí)現(xiàn)光耦合，這樣就帶來(lái)許多不便。而基于光纖的渦旋光生成器則在遠(yuǎn)程交互和系統(tǒng)小型化上更具優(yōu)勢(shì)。研究者們使用聲學(xué)長(zhǎng)周期光柵(PhysicalReviewLetters，2006，96(4)：43604)或者利用在多模光纖中的誘導(dǎo)壓力(AppliedOptics，1998，37(3)：469-472)實(shí)現(xiàn)了渦旋光傳輸模式。然而在光纖中模式耦合會(huì)破壞軌道角動(dòng)量模式，從而導(dǎo)致多路干涉。在絕大多數(shù)多模光纖中，TE/TM模式和需要的HE21模式是共存的，這樣它們經(jīng)過(guò)模式耦合會(huì)在輸出端生成線性偏振模式(LP模式)，LP模式并不是光纖真正的本征模式，它也不能攜帶軌道角動(dòng)量。因此，文獻(xiàn)(OpticsLetters，2012，37(13)：2451-2453)報(bào)道了利用微彎光柵來(lái)消弱高階LP11模式的生成，進(jìn)而把輸入模式轉(zhuǎn)化為所需要的HE21模式，最終生成高純度的渦旋光束。理想的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有良好的幾何圓對(duì)稱性，因而所傳輸?shù)幕E11是正交模式的二重簡(jiǎn)并模態(tài)。然而在實(shí)際光纖中，由于缺陷的存在，這種二重簡(jiǎn)并被破壞，從而引起模態(tài)雙折射，為了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中維持這種模式偏振，人們?cè)O(shè)計(jì)了保偏光纖。保偏光纖使和模式的有效折射率不同，兩正交模的傳播常數(shù)βx與βy差別增大，兩模式耦合幾率減小，因此如果傳輸光在光纖一個(gè)光軸平行的方向上被線性偏振化，那么光將一直保持這種偏振態(tài)在光纖中傳輸。美國(guó)專利(US20080101754)和歐洲專利(EP1705503B1)提出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(zhǎng)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(jiǎn)單，但是制備這種光纖卻非常困難，因此本專利技術(shù)在保偏光纖技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種新型非對(duì)稱雙折射渦旋光纖，這種渦旋光纖制備比較容易，可產(chǎn)生類渦旋光束。(三)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種可生成渦旋光傳輸模式的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖及其制備方法。本專利技術(shù)是這樣實(shí)現(xiàn)的：渦旋光束的一個(gè)顯著特征是具有軌道角動(dòng)量，為了得到軌道角動(dòng)量，光纖必須攜帶更高階模式，例如，相移為±π/2的兩個(gè)HE21模式的線性組合即可實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量模式。由于本專利技術(shù)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖存在單螺旋或雙螺旋應(yīng)力區(qū)，并且雙螺旋應(yīng)力區(qū)的兩個(gè)預(yù)應(yīng)力棒中摻雜的材料不同，因此這種應(yīng)力區(qū)的不對(duì)稱分布或應(yīng)力區(qū)材料的不同，就導(dǎo)致了在纖芯中的不對(duì)稱應(yīng)力雙折射分布，并且該分布在光纖縱向呈螺旋狀，因而當(dāng)光波輸入到該光纖后，會(huì)形成徑向相位差，從而使其中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)獲得軌道角動(dòng)量，產(chǎn)生渦旋相位傳輸，實(shí)現(xiàn)類渦旋光傳輸模式。本專利技術(shù)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖與保偏光纖的不同在于，在本專利技術(shù)中，由于應(yīng)力區(qū)的不對(duì)稱分布或應(yīng)力區(qū)材料的不同，不會(huì)出現(xiàn)保偏光纖的線性保偏特性，而是隨著螺旋應(yīng)力區(qū)的旋轉(zhuǎn)，纖芯中傳導(dǎo)光波的偏振態(tài)也隨之旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)渦旋光傳輸模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：1、非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備簡(jiǎn)單，可直接由具有單螺旋或雙螺旋應(yīng)力區(qū)的光纖預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)拉制而成。2、非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的折射率螺旋分布函數(shù)和應(yīng)力區(qū)摻雜材料在制備過(guò)程中是可控的，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)生成類渦旋光束特征的控制。3、非對(duì)稱雙折射渦旋光纖空間柔韌性極好，因此可以選擇在任意合適的位置和方向上輸出類渦旋光束，便于在微粒操控和傳感上的應(yīng)用。(四)附圖說(shuō)明圖1是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖示意圖；圖2是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的橫截面示意圖；圖3是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的應(yīng)力雙折射(a)三維和(b)二維示意圖；圖4是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的光強(qiáng)傳輸示意圖；圖5是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖在(a)Z＝900μm、(b)Z＝1000μm、(c)Z＝1100μm和(d)Z＝1200μm橫截面處的相位分布圖；圖6是具有單應(yīng)力區(qū)的光纖預(yù)制棒制備示意圖；圖7是具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備示意圖；圖8是具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖示意圖；圖9是具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的橫截面示意圖；圖10是具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的應(yīng)力雙折射(a)三維和(b)二維示意圖；圖11是具有雙應(yīng)力區(qū)的光纖預(yù)制棒制備方法示意圖；圖12是具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備方法示意圖；圖13是帶光源的尾纖與具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的連接示意圖。圖14是帶光源的尾纖與具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的連接示意圖。(五)具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本專利技術(shù)做更詳細(xì)的描述：結(jié)合圖1-圖5，本專利技術(shù)第一種實(shí)施方式是這樣實(shí)現(xiàn)的。首先描述光波在經(jīng)過(guò)一段本專利技術(shù)給出的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖后如何產(chǎn)生渦旋光場(chǎng)的基本原理。取一段非對(duì)稱雙折射渦旋光纖，該光纖包括包層1、纖芯2和單螺旋應(yīng)力區(qū)3。由于單螺旋應(yīng)力區(qū)3的存在，對(duì)圖2所示的光纖橫截面進(jìn)行應(yīng)力分析就可以得到如圖3所示的應(yīng)力雙折射分布(在圖3(a)中，柱狀柵欄所包圍的區(qū)域表示纖芯區(qū)域，Z軸表示應(yīng)力雙折射大小Ny-Nx，在圖3(b)中，灰度大小則表示應(yīng)力雙折射大小)，由于纖芯中存在這種非對(duì)稱的應(yīng)力雙折射分布，所以當(dāng)向該光纖的一端輸入光源4時(shí)，該光纖即可生成類渦旋光傳輸模式，其光強(qiáng)傳輸如圖4所示，在Z＝900μm、1000μm、1100μm和1200μm橫截面處的相位分布如圖5所示，由此可見(jiàn)，在該光纖中，傳導(dǎo)光波具有渦旋相位，它是一種類渦旋光束。其次給出非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備方法。這種具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟(如圖6和圖7)：步驟1：如圖6，在含有芯5的光纖預(yù)制棒6中打入一偏心孔7，接著把應(yīng)力區(qū)預(yù)制棒8插入偏心孔7中，這樣就得到具有單應(yīng)力區(qū)的光纖預(yù)制棒9；步驟2：如圖7，把光纖預(yù)制棒9放置于拉絲塔上，在垂直牽引力10和扭轉(zhuǎn)力11的共同作用下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)拉絲，經(jīng)過(guò)加熱以及相應(yīng)后處理12后即制備成具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖13。結(jié)合圖8和圖9，區(qū)別于第一種實(shí)施方式，本專利技術(shù)第二種實(shí)施方式的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖具有兩個(gè)應(yīng)力區(qū)14和15，形成雙螺旋應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖，圖10給出在纖芯中的應(yīng)力雙折射分布圖，從圖中可以看出其應(yīng)力雙折射的變化范圍要大于具有單螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖纖芯的應(yīng)力雙折射變化范圍(圖3)，因而這種光纖產(chǎn)生渦旋相位的能力更加突出。這種具有雙螺旋應(yīng)力區(qū)的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖的制備過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟(如圖11和圖12)：步驟1：如圖11，在含有芯光纖預(yù)制棒6中打入兩個(gè)對(duì)稱偏心孔7，接著本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種非對(duì)稱雙折射渦旋光纖，其特征是：所述的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖包括纖芯、包層和應(yīng)力區(qū)，其纖芯處于包層中心位置，應(yīng)力區(qū)可為單應(yīng)力區(qū)，也可為雙應(yīng)力區(qū)，單應(yīng)力區(qū)只位于纖芯與包層外壁之間，而雙應(yīng)力區(qū)則對(duì)稱分布于纖芯的兩側(cè)，并且雙應(yīng)力區(qū)的兩個(gè)預(yù)應(yīng)力棒的摻雜材料不同，整個(gè)應(yīng)力區(qū)圍繞光纖中軸線呈螺旋狀分布，從而在光纖中形成單螺旋或雙螺旋應(yīng)力區(qū)，這種應(yīng)力區(qū)的不對(duì)稱分布或應(yīng)力區(qū)材料的不同，導(dǎo)致了在纖芯中的不對(duì)稱應(yīng)力雙折射分布，并且該分布在光纖縱向呈螺旋狀，因而當(dāng)光波輸入到該光纖后，會(huì)形成徑向相位差，從而獲得軌道角動(dòng)量，產(chǎn)生渦旋相位傳輸，實(shí)現(xiàn)類渦旋光傳輸模式。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種非對(duì)稱雙折射渦旋光纖，其特征是：所述的非對(duì)稱雙折射渦旋光纖包括纖芯、包層和應(yīng)力區(qū)，其纖芯處于包層中心位置，應(yīng)力區(qū)可為單應(yīng)力區(qū)，也可為雙應(yīng)力區(qū)，單應(yīng)力區(qū)只位于纖芯與包層外壁之間，而雙應(yīng)力區(qū)則對(duì)稱分布于纖芯的兩側(cè)，并且雙應(yīng)力區(qū)的兩個(gè)預(yù)應(yīng)力棒的摻雜材料不同，整個(gè)應(yīng)力區(qū)圍繞光纖中軸線呈螺旋狀分布，從而在光纖中形成單螺旋或雙螺旋應(yīng)力區(qū)，這種應(yīng)力區(qū)的不對(duì)稱分布或應(yīng)力區(qū)材料的不同，導(dǎo)致了在纖芯中的不對(duì)稱應(yīng)力雙折射分布，并且該分布在光纖縱向呈螺旋狀，因而當(dāng)光波輸入到該光纖后，會(huì)形成徑向相位差，從而獲得軌道角動(dòng)量，產(chǎn)生渦旋相位傳輸，實(shí)現(xiàn)類渦旋光傳輸模式。2.根據(jù)權(quán)利要求1所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：苑立波，鄧洪昌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：無(wú)錫萬(wàn)潤(rùn)光子技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇,32