[发明专利]一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信领域，涉及一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤。

背景技术

矢量光场是一类偏振态与波前的横向空间位置相关的特殊光波场。独特的偏振态空间分布使得矢量光场及其应用逐渐成为光学领域的研究热点之一。最典型的矢量光场是柱矢量光场，其偏振态和相位在光场横截面上呈轴对称分布，并且在光场中心处存在偏振奇点，导致该处的场强分布为0，从而表现为中心暗核。径向偏振光和角向偏振光是柱矢量光场的两种常用形式。独特的偏振态空间分布使得矢量光场表现出诸如突破衍射极限的紧聚焦以及自旋和轨道角动量等特性，这些特性在超高分辨成像、光学微操控、等离子聚焦等方面具有重要应用。

迄今，人们提出了多种产生矢量光场的方法，这些产生方法一般分为主动法和被动法两类。主动法是指利用特殊设计或改进的激光谐振腔直接输出矢量光场。这类方法的主要原理是通过在腔内放置特定的光学元件来抑制基模，使得谐振腔内的实际振荡模式选择成所需要的矢量光场模式。常用的腔内元件可以是轴对称的双折射元件、二色性元件，或者是偏振选择器件。被动法是指在激光器谐振腔以外的自由空间中，采用特殊设计的光学元件或者光路，将普通激光模式转化为所需要的矢量光场模式。例如，轴对称的双折射和二向色性器件、液晶空间光调制器和分区延迟器等，都可以用于在激光谐振腔外产生矢量光场。利用以上产生矢量光场方法可以获得很高效率的矢量光场，但需要较为复杂的光路系统和较多的光学元件，并且所产生矢量光场在长距离传输过程中易受分立光学元件和传输介质的不均匀性影响，造成光场质量明显下降。

光子晶体光纤作为一种新型微结构光纤，具有许多传统光纤无法实现的独特传播特性，例如结构设计灵活、无截止单模传输、显著的非线性效应、高双折射、多零色散等。通过对光子晶体光纤中的空气孔形状和大小以及位置的简单调节，可以非常方便地改变光子晶体光纤的传输特性。在光子晶体光纤中引入多个纤芯结构，可以实现纤芯间光功率的分配、波长的选择及不同偏振态的分离等功能，从而有可能支持具有复杂空间偏振态分布的矢量模场的转换和传输。这种具有矢量模场特性的光子晶体光纤不仅可以为矢量光场的产生提供一种简单易行的途径，而且可以有效保证矢量光场的远距离传输。

发明内容

为了避免现有技术的不足，本发明提出一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，满足矢量光场研究和应用的需求。

本发明的技术方案是，一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，其特征在于由光纤基底材料和六角结构排布的包层空气孔所组成的多芯结构；各个纤芯围绕光纤中心成对称分布；所述纤芯由包层空气孔的缺失形成；所述光纤横截面结构中，纤芯附近空气孔的大小不同，横截面结构沿光纤的长度方向不变。

在这种多芯光子晶体光纤结构中，纤芯对光功率进行耦合分配，进入光纤中的光因满足全内反射条件而被限制在纤芯中传播，各纤芯均存在一对正交偏振的基模，形成四种离散型的矢量光场模式。为了消除偏振模色散及耦合对矢量模式的影响，在纤芯周围设计大空气孔和缺陷空气孔结构，引入模式高折射率差和缺陷模式，利用模式之间的能量耦合使其中三个低折射率矢量模式处在高泄漏或高损耗区而损耗掉，只将高折射率矢量模式束缚在纤芯区进行有效传输，由此即可实现保偏传输并产生高质量的矢量光场。

本发明的有益效果是，一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，通过适当调节光纤中空气孔的大小和分布，引入多纤芯结构，即可以实现对光场偏振态分布的调控。这种光子晶体光纤在波长1.55μm至1.70μm范围内，可以实现宽带矢量光场的传输，因而在光传输等领域具有广阔的应用前景。其次，所述光子晶体光纤只需采用一种材料就可实现，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，制作工艺简单。再其次，所述光子晶体光纤结构，采用常规的光子晶体光纤制作技术即可实现，因而可以保证产品的成品率。此外，所述光子晶体光纤的纤芯排列规则，从而使传输的模场分布更加规则，有利于其与其他无源或有源光学器件相耦合，实现矢量光场出射，可用于光学微操控。同时，所述光子晶体光纤不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性，可保证矢量光场长距离稳定传输。

附图说明

图1为本发明用于产生角向偏振矢量光场的光子晶体光纤横截面示意图。

图2为本发明用于产生径向偏振矢量光场的光子晶体光纤横截面示意图。

图3为本发明具体实施例中所述可输出柱矢量光场的光子晶体光纤激光器系统结构示意图。

图4为图1所示实施例的光子晶体光纤有效折射率随入射光波长的变化关系。