[发明专利]一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法

说明书

本发明涉及光纤技术领域，公开了一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法，以便能够直接、高效的生成涡旋光束。本发明包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中传输，传输至单模光纤‑单包层多芯光纤熔接处并耦合至单包层多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模场，各个纤芯线偏振模场之间的相位具有相同差值且相位差总和为2πl，其中l为拓扑合数；双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。本发明适用于涡旋光束的生成及传输、光通信、光传感、光操纵等领域。

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法。

背景技术

转动物体具有角动量，而光也同样存在，并被定义为光自旋角动量和光轨道角动量。若光束中的光子具有光轨道角动量，光束则被称为光学涡旋光束，光束波前呈现为螺旋结构。光束波前的奇特结构是因为其传输表达式具有一个横向方位角的相位分布项exp(ilφ)，其中φ为方位角，l为拓扑荷数。拓扑荷数不为0且为整数时，其绝对值大小及正负性共同决定了光束横向的相位分布结构，从而光束波前会呈现出单螺旋、双螺旋、多螺旋等结构以及左旋或右旋的特征。由于涡旋光束具有额外的角向自由度，且因为拓扑荷数的变化，理论上具有无穷多个模态且互相正交，可承载互相独立的光信号。因此涡旋光束在光传输高密度信号有广阔应用前景。同时，涡旋光束轨道角动量具有机械效应，可以产生扭矩使物体移动旋转，可以应用于光操纵，光传感，且因其独特的光场结构使其具有独特的散射特性，因此涡旋光束在生物医学成像也具有非常大的应用潜力。

目前，涡旋光束可以在激光器谐振腔内直接调制生成涡旋光束，但成本高；利用空间相位板、空间光调制器等也可很便利地生成各类涡旋光，但空间光路较大且成本高。在光纤中生成与传输涡旋光束是目前的热点，不仅结构简单，通过光纤矢量模式的叠加得到相位分布纯度也更高。专利(201310030067.5、201310029915.0、201610130733.6、201711072397.5)公开了多种方法调制中央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。另有专利(201711070336.5)则是利用螺旋纤芯的周期性微扰，使得中央少模纤芯传输的低阶线偏振模转化为高阶相位涡旋模式。上述方法一般均使用特定长度的光纤端生成涡旋光束。专利(201611046969.8)利用在纤芯周围填充的压电材料加电产生径向压应力，使纤芯产生应力双折射，从而使光纤导模发生本征值分裂，优选某两正交模式出现±π/2相位差，则可产生涡旋光束。另外还有诸如专利(201910842591.X)等利用各类方法增大模式间的有效折射差，实现光纤中多种涡旋光的稳定传输，但并未提及涡旋光束的直接生成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：额外提供一种光纤涡旋光束发生器及其制备方法，以便能够直接、高效的生成涡旋光束。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种光纤涡旋光束发生器，包含依次熔接在一起的单模光纤、单包层多芯光纤、双包层多芯光纤及环形芯光纤；起偏后的线偏振模入射至单模光纤并在其中传输，传输至单模光纤-单包层多芯光纤熔接处并耦合至单包层多芯光纤，形成多个强度分布一致的纤芯线偏振模场，各个纤芯线偏振模场之间的相位具有相同差值且相位差总和为2πl，其中l为拓扑合数；单包层多芯光纤将其纤芯线偏振模场耦合至双包层多芯光纤，双包层多芯光纤的纤芯模场向环形芯光纤耦合时进行模场相位调制转换，各个纤芯模场其强度分布逐渐耦合变换为环形芯光纤的环形模场。

进一步的，为了保证多芯光纤和双包层多芯光纤间的模场匹配，需尽量满足以下条件：

单包层多芯光纤和双包层多芯光纤的纤芯到光纤轴心的距离相等；单包层多芯光纤与双包层多芯光纤的纤芯尺寸相等；单包层多芯光纤数值孔径与双包层多芯光纤的纤芯-内包层数值孔径相等；单包层多芯光纤的纤芯模场直径小于双包层多芯光纤内包层的直径。