[发明专利]渐变折射率涡旋场光纤

说明书

本发明提供的是一种渐变折射率涡旋场光纤及其制备方法。其特征是：所述光纤包含包层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)。该光纤可通过旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备。本发明可用于涡旋光束和环形光束生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。

(一)技术领域

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(Optics Express,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。Xiuquan Ma等人(Optics Express，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。