基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。该涡旋光束产生方法可向自由空间中产生涡旋光束，且可同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。本发明专利技术还公开了一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置。

【技术实现步骤摘要】
基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置
本专利技术涉及涡旋光束产生技术，尤其涉及一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置。
技术介绍
涡旋光束是一种具有螺旋相位波前，带有轨道角动量（OAM），能够携带不同拓扑电荷数的光束。携带不同拓扑电荷数的涡旋光束是相互正交的，因此，涡旋光束可以在光纤通信装置中进行模分复用，能够极大地提高光通信装置的容量。现有的涡旋光束产生方法有模式转换法、螺旋相位法和计算全息法。模式转换法：由柱面镜构成非轴对称光学装置，输入不含轨道角动量的厄米-高斯光束，通过两个柱面透镜构成的模式转换器，就可以将其转化为拉盖尔-高斯光束。只需要在厄米高斯光束基础上引入一个随方位角变化的相位因子，就可以将厄米-高斯光束变成具有轨道角动量的涡旋光束。利用模式转换法的转换效率高，但是转换过程中的光学装置结构相对比较复杂，装置中用到的关键光学器件加工制备比较困难，而且不易控制所产生的涡旋光束种类和参数，这使得其应用场合受到了限制。螺旋相位板法：螺旋相位板是一种厚度与相对于板中心的旋转方位角成一次函数关系的透明板，表面结构类似于一个旋转台。当光束通过螺旋相位板时，由于相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变量不同，使透射光束相位的改变量也不同，继而能够产生一个具有螺旋特征的相位因子。螺旋相位板法产生涡旋光束的转换效率高，但该方法产生的光学涡旋的拓扑荷数并不唯一，而且对于某一相位板，使用特定模式的激光只能是特定的输出，不能灵活控制涡旋光束的种类和具体参数，而且高质量的相位板制备也比较困难。计算全息法：计算全息法是依据光的干涉和衍射原理，利用计算机编程实现目标光与参考光的干涉图样，得到涡旋光束。该方法主要可以利用计算全息图和空间光调制器来实现。计算全息图是将叉形光栅制成底片，直接让高斯平面波通过此叉形光栅即可。空间光调制器法是将叉形光栅加载到空间光调制器上，让高斯平面波直接入射到空间光调制器上即可。但是因需要入射到全息图中心，则光路要求严格。当然，现有技术中也有在光纤中产生涡旋光束的方法，但是光纤中产生的涡旋光束只有一个阶数的轨道角动量，无法同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置，可向自由空间中产生涡旋光束，且可同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。本专利技术所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，包括可调谐激光器，用于发射激光光束；环形螺旋光纤光栅谐振器，包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构，用于所将其内部的激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间中并转化为涡旋光束；耦合模块，用于将所述可调谐激光器发射的激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中。本专利技术具有如下有益效果：该涡旋光束产生方法及装置将回音壁模式（WGM）与自由空间传播的OAM模式耦合，通过在谐振器上嵌入角光栅的方式，使得激光光束向空间辐射时产生倾斜的波导平面，并使波导平面发生旋转而形成螺旋光束，与现有的模式转换法、螺旋相位板法、计算全息法等相比，结构简单，不需要昂贵的设备和复杂的光路，极大地节约了设备成本、简化了加工工艺，只需要通过改变所述螺旋光纤光栅和环形波导结构的加工参数就能够形成不同模式、种类和参数的涡旋光束，且控制所述环形波导结构的大小就可以改变涡旋光束的种类和具体参数，可以实现对微观粒子的亚接触、无损伤的操纵，用作光镊或光学扳手等等，同时在射频以及量子保密通信等领域也具有重要的潜在应用价值，而且由于器件的尺寸很小，可以实现大规模集成，以应用于未来的“光纤实验室”，在光纤通信及量子通信领域具有良好的应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的涡旋光束产生方法的步骤框图；图2为本专利技术提供的环形螺旋光纤光栅谐振器制备方法的步骤框图；图3为本专利技术提供的将激光光束转化为涡旋光束的步骤框图；图4为本专利技术提供的涡旋光束产生装置的原理框图；图5为本专利技术提供的环形螺旋光纤光栅谐振器的示意图；图6为本专利技术提供的螺旋光纤光栅的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的说明。如图1所示，一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：步骤10：提供如图5所示的一环形螺旋光纤光栅谐振器1，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1包括表面刻写有周期性螺旋光栅101的螺旋光纤光栅100，所述螺旋光纤光栅100的两端焊接在一起形成环形波导结构。在该步骤10中，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1形成的环形波导结构相当于一回音壁模式微腔，可使将其内部的光束约束在该环形波导结构内，当光束在该环形波导结构的几何边界上行走一圈的光程满足其波长的整数倍时可产生干涉加强现象，即共振现象。在该步骤10之前，还包括制备所述环形螺旋光纤光栅谐振器1，其中，如图2所示，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1的制备方法包括如下步骤：步骤01：将一光纤上待加工部分的表面涂覆层去掉，露出内部结构。在该步骤01中，所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层，所述纤芯为高折射率玻璃芯，芯径一般为5-75μm；所述包层为低折射率硅玻璃层，覆盖包裹于所述纤芯的表面上，直径一般为100-200μm；所述涂覆层一般为硅酮或丙烯酸盐，用于隔绝杂光，覆盖包裹于所述包层的表面上；当光束在所述纤芯中传播时，由于所述纤芯与包层之间的折射比，光束在所述纤芯与包层的交接处会发生全反射现象而始终被困在所述纤芯中。去掉所述涂覆层后，待加工部分露出的内部结构为纤芯包层结构，即包裹住纤芯的包层。本实施例中，所述光纤为普通的单模光纤。步骤02：对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之熔融。在该步骤02中，可通过火焰加热、电加热或激光加热等方式对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之受热熔融而变软。步骤03：将所述光纤沿其轴线方向拉细，使之形成微纳光纤，同时将所述光纤绕其轴线方向旋转，使之形成周期性螺纹表面，得到如图6所示的螺旋光纤光栅100，该周期性螺纹表面即为所述周期性螺旋光栅101。在该步骤03中，可将受热熔融的光纤放置于一电动位移平台上，所述电动位移平台上设置有分别用于夹取所述光纤两端的第一夹手和第二夹手，其中所述第一夹手在平台上固定不动，所述第二夹手本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；/n步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；
步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。


2.根据权利要求1所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，所述环形螺旋光纤光栅谐振器的制备方法包括如下步骤：
步骤01：将一光纤上待加工部分的表面涂覆层去掉，露出内部结构；
步骤02：对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之熔融；
步骤03：将所述光纤绕其轴线方向旋转，使之形成周期性螺纹表面，得到所述螺旋光纤光栅，该周期性螺纹表面即为所述周期性螺旋光栅；
步骤04：取适当长度的螺旋光纤光栅，并将所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构，得到所述环形螺旋光纤光栅谐振器。


3.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤03中，根据所需的涡旋光束的周期来设定所述旋转电机的旋转速度。


4.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤03中，同时将所述光纤沿其轴线方向拉细，使之形成微纳光纤。


5.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤04中，根据所需的涡旋光束的阶数以及所述螺旋光纤光栅的周期来选取所述螺旋光纤光栅的长度和周期数。


6.根据权利要求1所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，步骤20包括如下步骤：
步骤201：发射激光光束；
步骤202：将激光光束分为第一激光光束和第二激光光束；
步骤203：分别对第一激光光束和第二激光光束进行衰减处理；
步骤204：将经过衰减的第一激光光束耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，使之在所述螺旋光纤光栅谐振器内转换为涡旋光束并从所述周期性螺旋光栅处辐射出来，将经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘申，邹涛，卢圣臻，张强，罗俊贤，赵媛媛，陈燕苹，王义平，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44