[发明专利]通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法

说明书

本发明属光束转换技术领域，具体为通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法。本发明包括：在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂，将绿光激光经透镜耦合入单模光纤，与单模光纤端面沉积的光聚合物液体试剂发生反应，形成聚合物微锥；光束经过光纤端面形成的聚合物微锥后转变为类贝塞尔光束。微锥的形状由光聚合参数如绿光激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度来控制。此微锥工作带宽范围覆盖整个可见光区域甚至近红外波段，最多可以有30多个同心环，并且产生的类贝塞尔光束具有自恢复性质。本发明方法高效、低成本、便捷，可广泛应用于微粒操控、光学成像、非线性光学、光刻、微制造等领域。

技术领域

本发明属于光束转换技术领域，具体涉及产生类贝塞尔光束的方法。

背景技术

无衍射光束的概念由Durnin在1987年提出，它实际上是零阶的贝塞尔光束，并且Durnin指出在任何垂直于贝塞尔光束传播方向的横截面上，贝塞尔光束的光强分布都具有第一类零阶贝塞尔函数的形式。理想贝塞尔光束横截面的强度分布表现为中心亮点和一系列同心圆环，强度从内向外减小，并且在传播过程中光强分布不变。尽管实际可实现的类贝塞尔光束具有有限的无衍射传播范围，但在此范围内遇到不透明障碍物，它同样具有自恢复特性，即可以恢复到原始的横向光强分布。由于其独特的光强分布和自修复传播特性，类贝塞尔光束已广泛应用于许多领域，如粒子导引，成像，非线性光学，光刻和微制造。

通过光纤生成类贝塞尔光束与通过复杂而笨重的光学系统生成类贝塞尔光束相比，器件更为紧凑，也没有对准和稳定性问题。其中一种产生类贝塞尔光束的方法是在光纤末端制造微轴棱锥，因为轴棱锥是产生类贝塞尔光束的一种有效光学器件。迄今为止，主要有三种类型的光纤微轴棱锥制造方法。第一种是光纤的选择性化学蚀刻方法，该方法可以制作与光纤纤芯对准的锥形透镜，并且能优化锥角，但所需的化学过程耗时且存在表面粗糙度问题。第二种方法是使用聚焦离子束(FIB)，利用该聚焦离子束将光纤纤芯端面加工成圆锥形，然而，与其他方法相比，FIB系统昂贵并且类贝塞尔光束产生效率不高。第三种是通过两步机械抛光工艺制造光纤微轴棱锥，该方法成本低且可用于不同类型的光纤，然而其产生的类贝塞尔光束只有3个同心圆环。在这些基于光纤的微轴棱锥制造方法中，都只产生了小于5个环的类贝塞尔光束。

利用多模光纤中的高阶模激发是产生类贝塞尔光束的另一种方法，其通过将单模光纤与多模光纤比如无芯光纤熔接来激发高阶模式，这种方法比上述的微轴棱锥制造方法更简单，但这种方式产生的光束被认为与类贝塞尔光束不一致。在这些基于光纤的器件中，远场光斑的同心环的数量是评估类贝塞尔光束质量的重要参数，而这种方法产生的圆环数都小于10圈。目前最可信的方式是利用长周期光栅来激发LP_0，m模式，它可以产生较好的类贝塞尔光束，不过该器件只能在相对较窄的波长范围内工作。

本发明通过在光纤端面直接生长聚合物微锥来产生类贝塞尔光束，不仅实现了全光纤结构，而且克服了上述方法中存在的制作困难、耗时、成本高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种耗时短、成本低的全光纤类贝塞尔光束产生方法。

本发明提出的全光纤类贝塞尔光束产生方法，是通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束。具体步骤为：

（1）生成聚合物微锥：由光与配置在光纤端面的光聚合物试剂反应，在光纤端面形成聚合物微锥；在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂，将绿光激光经透镜耦合入单模光纤，与单模光纤端面沉积的光聚合物液体试剂发生反应；其中，光纤纤芯部分发生聚合反应，形成一尖锥形的聚合物微锥，而光纤包层部分的液体试剂未发生反应，用甲醇、乙醇等溶剂洗去；

（2）光束经过光纤端面形成的聚合物微锥后转变为类贝塞尔光束；

其中，聚合物微锥形成所用光为绿光激光，即波长在450 nm到550 nm之间。