集成式全光纤悬链线波场调控器制造技术

本发明专利技术提供的是集成式全光纤悬链线波场调控器，其特征是：所述器件由一段带有螺旋光栅1的双包层光纤2、渐变折射率光纤3和纤端金属膜4组成；其中，双包层光纤2包含外包层5、内包层6和纤芯7，渐变折射率光纤3包含包层8、纤芯9，纤端金属膜3上有悬链线微孔阵列10；该器件对波场具有波长和偏振调控能力，当入射波长分别为圆偏振输入光波11和圆偏振输入光波15时，该器件分别输出零阶贝塞尔光束14和一阶涡旋贝塞尔光束17；当右旋圆偏振输入光波111和左旋圆偏振输入光波112分别入射时，该器件分别输出“无衍射”零阶贝塞尔光束18和“强聚焦”零阶贝塞尔光束19，本发明专利技术可用于光场调控、光动力治疗和光操纵等领域。动力治疗和光操纵等领域。动力治疗和光操纵等领域。

【技术实现步骤摘要】
集成式全光纤悬链线波场调控器
(一)

[0001]本专利技术提供的是集成式全光纤悬链线波场调控器，本专利技术可用于产生特殊光场、光场调控和光操纵等领域。
(二)
技术介绍

[0002]光纤作为一种新兴的光学器件，因其较低的传输损耗、支持长距离传输、通信容量大等优点在通信、传感等领域取得了巨大的发展。近年来随着“Lab
‑
on
‑
Fiber”概念的提出，将微米级甚至纳米级的微结构与光纤相集成，实现了微结构全光纤器件，这种全光纤器件可用于许多战略领域，从在复杂的环境(例如人体体内分析)中进行远距离测量到信号处理、药物分析、超分辨率成像都有它的身影。微结构全光纤器件可在光纤的端面、侧面和内部构造微纳结构来实现对光场的调控，例如Hyeonwoo Lee团队提出了基于多模干涉的贝塞尔光束发生器，用于在二维平面上捕获和传输介电粒子(Journal of LightwaveTechnology,2019,37(11):2590
‑
2597)。通过单模光纤中传入的LP01模式激发了无芯光纤中引导的更高阶模式，这些模式沿无芯光纤传播时相干叠加发生多模干涉；CY.Guan等人提出具有不对称的凹槽阵列的艾里光束发生器(Opticsletters,2014,39(5):1113
‑
1116)，采用单个缝隙激发表面等离激元，这些表面等离激元通过凹槽阵列解耦到自由空间中。而且去耦之后的表面等离激元的相位由凹槽位置调节，产生的艾里光束具有横向加速度和非衍射特性；JY.Tan团队提出一种在单模光纤的端面上制造自增长的聚合物微尖端的方法来生成贝塞尔式光束(Optics letters,2019,44(4):1007
‑
1010)，通过精确优化微尖端的长度和形状以及凸状液滴的高度及其光聚合参数来产生贝塞尔状光束，这种微尖端为类贝塞尔光束的产生提供了一种有效，低成本和超紧凑的方式。中国专利 (CN109683330B)公开了一种在光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法，输入光经过光纤端面形成的聚合物微锥后转变为类贝塞尔光束，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。中国专利(CN111766710A)公开了一种基于光纤端面角锥的贝塞尔光束形成方法，此方法采用腐蚀液在纤端制备角锥，可以提高光纤端面角锥的加工效率。上述专利所提出的基于纤端微结构的器件只能产生贝塞尔光场，并且不具备波长调控功能。
[0003]悬链线(Catenary)指两端固定的一条均匀、不能伸长的链条，在重力的作用下所具有的曲线形状。雅各布
·
伯努利确定了悬链线的数学性质，同等强度的抛物线函数，双曲余弦函数和悬链线相比较，悬链线的梯度较最大。无论是在建筑学、电学、艺术层面都有悬链线的身影，近年来在光学领域，悬链线光学的发展势头正盛，已经发现有许多与悬链线的数学性质有关的光学应用，尤其是随着微纳加工技术，计算机算力和数值建模技术的发展，悬链线光学在亚波长区域的光学应用中，取得了突飞猛进的进展，例如Xiangang Luo团队提出采用悬链线结构来生成具有空间连续和光谱消色差分布的几何相位(ScienceAdvances,2015,1(9):e1500396)，通过阵列悬链线结构以生成具有各种相位分布的携带轨道角动量的涡旋光束，可以同时实现在方位角和径向方向上的相位控制；该团队首次在单
个非手性的悬链线孔径观察到理想的连续且无分散相梯度 (Light:Science&Applications,2017,6(6):e16276
‑
e16276)，相位梯度归因于各向异性的悬链线孔径中的光学自旋轨道相互作用，导致了大宽带的自旋霍尔效应。通过控制与自旋有关的动量，这表明悬链线纳米孔径可以在亚波长水平上完全控制相位梯度，从而形成光学超表面的独特构造块；Xiong Li等人提出了基于悬链线孔径的超表面的平面贝塞尔光束发生器(Scientific Reports,2016,6(1): 1
‑
6)，单个悬链线结构可以实现0至2π之间的连续相位调制，并且由于悬链线自旋轨道相互作用引起的无色散相移，所提出的装置可以在很宽的波长范围内工作。到目前为止，尚未报道悬链线结构在光纤平台上的应用。
[0004]本专利技术提出的集成式全光纤悬链线波场调控器创新性的将光纤与悬链线结合在一起，利用光纤的成熟技术和普及程度广的优势，结合悬链线结构对电磁波独特的操控性，赋予其空前的光操控能力和增强的性能，该器件结合了光纤体积小、结构灵活、可产生特种光场和超表面在亚波长尺度对光场进行多参量调控的特点，其中，光纤末端的悬链线微孔阵列能实现线性的、连续的相位调控，弥补了离散型超表面在相位调控方面的不足。
(三)
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种集成式全光纤悬链线波场调控器。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]本专利技术提供的是可用于产生特殊光场、光场调控和光操纵等领域的集成式全光纤悬链线波场调控器。该装置所述器件由环形芯光纤和多模光纤的级联结构以及多模光纤的纤端金属膜组成，通过在纤端金属膜上刻写各种悬链线微孔阵列结构来实现不同的波场调控功能。以悬链线微孔环形阵列结构为例，结合光纤自身和悬链线纤端的光调控特性，集成式全光纤悬链线波场调控器主要具备两种波场调控能力：波长调控和偏振调控。
[0008]纤端金属膜采用悬链线微孔阵列结构，悬链线的表达式为：其中：表示悬链线的水平跨度。由式可知，y在x＝0.5Λ处为无穷大。所以在设计结构时，将x的取值范围限制在区间(
‑
0.5Λ+dx,0.5Λ
‑
dx)内。悬链线相对于x 的切向角ξ(x)与x的位置成正比，因此悬链线可以实现(
‑
π，π)区间内沿着曲线呈线性的、连续的相位调控，其表达式为：
[0009]构成悬链线微孔阵列的单个悬链线微孔的轮廓为跨度相同或不同的两条悬链线。以图2(a)为例，所采用的悬链线微孔阵列结构是由单个悬链线向下垂直平移Δ得到的，其表达式为：
再沿中线将悬链线结构分成两半，取悬链线结构的左半部分围绕纤端金属膜中心阵列，形成日晷形状的变形悬链线结构。
[0010]该器件的环形芯光纤的纤芯、内包层和外包层的折射率n1、n2和n3的分布关系可以为(a)n2＞n3≥n1；(b)n2＞n1≥n3；(c)n1≥n2＞n3三种中的一种。以满足3(c)的折射率分布关系的环形芯光纤为例，在700nm ～1000nm的波长范围内，环形芯光纤得纤芯满足单模传输条件，纤芯与内包层构成的复合波导仅能传输一阶(基模)和二阶两种纤芯模式。由于一阶模式主要在纤芯中传输，而二阶模式则主要在内包层中传输，所以纤芯和内包层分别支持了一阶和二阶模式的传输。以环形芯光纤长周期左旋螺旋光栅为例，借助于光纤模式耦合理论，在该光栅中传输的一阶和二阶模式之间的耦合关系可以用下式表示：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明提供的是集成式全光纤悬链线波场调控器，其特征是：所述器件由一段带有螺旋光栅1的环形芯光纤2、多模光纤3和纤端金属膜4组成；其中，环形芯光纤2包含外包层5、内包层6和纤芯7，渐变折射率光纤3包含包层8、纤芯9，纤端金属膜3上有悬链线微孔阵列10；一方面，圆偏振输入光波11注入到环形芯光纤2后形成基模12，由于螺旋光栅1不会对圆偏振输入光波11产生调制，因此基模12直接被多模光纤3扩束，转化成传输模式13，然后在悬链线微孔阵列10的调制下形成零阶贝塞尔光束14，另一方面，若螺旋光栅1对另一波长的圆偏振输入光波15调制作用极强，那么基模12就会被全部转化为一阶涡旋模式16，一阶涡旋模式16同样经多模光纤3扩束，转化成传输模式13，然后在悬链线微孔阵列10的调制下形成一阶贝塞尔涡旋光束17，这样实现了器件的波长调控；此外，由于悬链线微孔阵列10对相位的连续调制，对不同旋性圆偏振输入光波具有不同的调制的能力，例如汇聚和发散的能力，因此，不同旋性的圆偏振输入光波11经过多模光纤3的扩束和悬链线微孔阵列10的调控后可输出“强聚焦”或“无衍射”的零阶贝...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，罗中岳，宋念念，张文涛，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：