集成式全光纤悬链线波场调控器
阅读说明：本技术 集成式全光纤悬链线波场调控器 (Integrated all-fiber catenary wave field regulator ) 是由 邓洪昌 罗中岳 宋念念 张文涛 苑立波 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：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,本发明可用于光场调控、光动力治疗和光操纵等领域。(The invention provides an integrated all-fiber catenary wave field regulator, which is characterized in that: the device consists of a section of double-clad fiber 2 with a spiral grating 1, a graded-index fiber 3 and a fiber end metal film 4; the double-clad optical fiber 2 comprises an outer cladding 5, an inner cladding 6 and a fiber core 7, the graded index optical fiber 3 comprises a cladding 8 and a fiber core 9, and the fiber end metal film 3 is provided with a catenary micropore array 10; the device has wavelength and polarization regulation and control capacity on a wave field, and when incident wavelengths are respectively a circular polarization input light wave 11 and a circular polarization input light wave 15, the device respectively outputs a zero-order Bessel light beam 14 and a first-order vortex Bessel light beam 17; when the right-handed circularly polarized input light wave 111 and the left-handed circularly polarized input light wave 112 respectively enter, the device respectively outputs a 'diffraction-free' zero-order Bessel light beam 18 and a 'strong focusing' zero-order Bessel light beam 19.)
(一)
技术领域
本发明提供的是集成式全光纤悬链线波场调控器，本发明可用于产生特殊光场、光场调控和光操纵等领域。
(二)
背景技术
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(Optics letters,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。
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。
本发明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)
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成式全光纤悬链线波场调控器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明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。
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：
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。
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：
其中，表示左旋(LCP)和右旋(RCP)圆偏振态。图4(a) 给出了环形芯光纤长周期左旋光栅的输出光谱。在螺旋光栅的非谐振波长下，内波导基模(或)与外波导一阶涡旋模式(或 TM01+iTE01)发生弱耦合，并在螺旋光栅调制后全部转化为内波导基模。在螺旋光栅的谐振波长下，纤芯基模与内包层一阶涡旋模式发生强耦合，并在螺旋光栅调制下全部转化为内包层一阶涡旋模式。并且结合(4)式可得到，对于环形芯光纤的长周期左旋光栅，在螺旋光栅的谐振波长下，LCP基模和 RCP基模分别转化为LCP涡旋模式和RCP涡旋模式(TM01+iTE01)。
由于悬链线微孔阵列对相位的连续调制，对不同旋性圆偏振输入光波具有不同的调制的能力，从图4(b)可以看出对于左旋圆偏振光，单个悬链线微孔中央的调制相位大于两侧,此时悬链线纳米孔的相位调制等效于“凸透镜”，具有光汇聚功能；反之，对于右旋圆偏振光，由于单个悬链线微孔中央的调制相位小于两侧，此时单个悬链线微孔的相位调制等效于“凹透镜”，具有光发散功能。
输入光经过螺旋光栅的调制、多模光纤的扩束后传输至纤端金属膜的悬链线微孔阵列结构，由于基尔霍夫衍射定律限制，可以采用模式扩展的方法来计算输入光在悬链线微孔阵列中激发的传输模式；为了更准确地分析悬链线微孔阵列调控出射光场的传输特性，可采用矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分公式来计算空间中任意点的传输电场，计算结果如图5所示。环形芯光纤输出的纤芯基模经过多模光纤扩束后注入到纤端的悬链线微孔阵列结构,经过其波场调控后在自由空间中传输形成贝塞尔光束，如图5(a)和(b)所示。值得注意的是，该贝塞尔光束对不同圆偏振光波的响应具有非常明显的区别。从它们中央主极大光瓣的光强变化曲线可以发现，左旋圆偏振输入光波激发的输出光场具有极强的汇聚特性(见图5(c)虚线)，形成了“强汇聚”零阶贝塞尔光场；由于单个悬链线对右旋圆偏振输入光波的发散效果与环形光场的中央汇聚效果相互抵消,从而造成右旋圆偏振输入光波激发的输出光场的中央主极大光瓣的光强基本保持恒定(见图5(c)实线)，形成“无衍射”零阶贝塞尔光场。
类似地，不同波长的圆偏振输入光波经过螺旋光栅的调制、多模光纤的扩束和悬链线微孔阵列的调控后可输出“强聚焦”或“无衍射”的一阶贝塞尔涡旋光束，如图5(a)、(b)和(c)所示。
本发明的有益效果在于：
本发明结合了光纤与悬链线微孔阵列的优点，提出一种新型结构的集成式全光纤悬链线波场调控器。通过光纤内部集成微结构和光纤纤端的微纳结构，实现沿光轴方向的一维波场调控方法和在纤端平面的二维波场调控方法。
(四)
附图说明
图1是集成式全光纤悬链线波场调控器的工作原理示意图。
图2是单个悬链线微孔结构制备示意图。
图3环形芯光纤的纤芯、内包层和外包层的折射率n1、n2和n3的分布示意图：(a)n2＞n3≥n1；(b)n2＞n1≥n3；(c)n1≥n2＞n3。
图4是(a)是螺旋光栅输出光谱示意图；(b)单悬链线的相位曲线分布图。
图5是集成式全光纤悬链线波场调控器的仿真结果示意图:(a)、(b) 是圆偏振输入光波11激发下的输出光场在自由空间中的传输光场分布，(c)圆偏振输入光波11表示激发下输出光场主极大光强曲线；(d)、(e)是圆偏振输入光波15激发下的输出光场在自由空间中的传输光场分布，(f)圆偏振输入光波15表示激发下输出光场主极大光强曲线。
图6是基于二氧化碳激光器制备螺旋光栅的示意图。
图7是基于聚焦离子束刻蚀制备悬链线结构的步骤示意图。
图8是环形芯光纤的结构示意图：(a)单芯环形；(b)单芯三角形；(c) 单芯矩形；(d)单芯其他多边形；(e)阵列多芯六边形；(f)阵列多芯三角形； (g)阵列多芯矩形；(h)阵列多芯圆形。
图9是悬链线微孔结构阵列分布的示意图：(a)环形分布；(b)三角形分布；(c)矩形分布；(d)其他多边形分布。
图10是集成式全光纤悬链线波场调控器的系统示意图。
(五)
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
结合图1，本发明实施方式主要本发明提供的是一种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场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场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”的零阶贝塞尔光束14；类似地，不同旋性的圆偏振输入光波15经过螺旋光栅1的调制、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”的一阶贝塞尔涡旋光束17。
结合图6-7，集成式全光纤悬链线波场调控器的制备过程可分为以下三个步骤：
步骤1、螺旋光栅制备(见图6)。取一段环形芯光纤2固定在两个同步的旋转马达18上，光纤的一端接有宽度光源，另一端连接光谱仪，用于监视光栅制备过程中的光谱变化。CO2激光器19发出的激光经过衰减器20后被扫描振镜21反射，然后通过透镜22的聚焦后作用于环形芯光纤2上进行光栅刻写。在光栅刻写过程中，扫描振镜带动CO2激光扫描的方向始终垂直于光纤中轴线，而两个同步的旋转马达和扫描振镜被计算机控制，并确保马达旋转周期和振镜扫描周期保持一致，同时精密位移平台带动两个旋转马达一起沿着光纤轴线方向均速移动。这样，通过控制精密位移平台的运动速度、马达旋转周期 (或振镜扫描周期)来制备出任意光栅周期的环形芯光纤螺旋光栅。
步骤2、环形芯光纤-多模光纤级联结构的熔接与切割(见图7)。将制备好的刻写有长周期螺旋光栅的环形芯光纤和多模光纤分别固定光纤熔接机的夹具上，设置熔接机合适参数，实施热融焊接形成环形芯光纤-多模光纤级联结构；然后用高精度光纤切割装置对级联结构的多模光纤的一端进行定长度切割，以留取合适的长度的多模光纤，如图7(a)和(b)所示。
步骤3、聚焦离子束在纤端金膜刻写悬链线结构(见图7)。将步骤2 中得到的多模光纤端面在经过浓硫酸与双氧水的按一定比例配比的溶液加热后，依次通过去离子水、丙酮和酒精超声，而后置于匀胶机和热板机上清除残余的溶液，清洗洁净后再确定磁控溅射仪的镀膜速率参数，将光纤放入腔体内，完成纤端金属膜镀制，如图7(c)所示；最后在聚焦离子束系统的图形发生器中预先设置好离子束扫描的区域、方式、剂量、速率等参数，就可以利用高度聚焦的离子束刻蚀出变形悬链线图案，如7(d)所示。聚焦离子束刻蚀完成后，得到悬链线微孔阵列10的纤端金膜，如7(e)所示。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤1、集成式全光纤悬链线波场调控器制备：按照实施方式的实现螺旋光栅制备、环形芯光纤-多模光纤的级联结构和纤端金属膜的悬链线微孔阵列结构制备的步骤制备出全光纤悬链线波场调控器。
步骤2、光信号输入。集成式全光纤悬链线波场调控器的光信号输入是由窄带光源激光器发出的光信号输入到光功率控制模块，我们通过计算机来控制光功率控制模块输出的光功率大小，最后光信号再从光功率控制模块输入到环形芯光纤的纤芯中，如图10所示。
步骤3、集成式全光纤悬链线波场调控器的偏振态调控和波长调控：该输出光场观测系统主要分为波长调控与偏振调控、光场观测两个部分，如图10 所示。系统选用的是波长可调的线偏振光激光器401，输出后的激光经过光功率控制模块402后进入物镜403，并由物镜403将圆偏振光耦合到全光纤悬链线波场调控器中，输出的光再经过透镜404与物镜405组成的扩束系统将像成在CCD数字相机406的靶平面上，通过移动它们下面的轨道就可以可以观测不同输出平面上的光场分布。
结合图10，偏振调控是通过入射不同旋向的圆偏振输入光波实现的，当左旋圆偏振输入光波入射到全光纤悬链线波场调控器时受悬链线微孔阵列线性的连续的相位调控影响，出射强汇聚的光场141；改变入射光的偏振态，当输入光为右旋圆偏振输入光波时，出射无衍射的光场142；波长调控是通过受全光纤悬链线波场调控器中的螺旋光栅光调制特性实现的，当激光器401的波长为圆偏振输入光波(λ2)时，螺旋光栅可以在中央纤芯的内包层内实现一阶涡旋模式的传输，使得出射光场携带轨道角动量；激光器401的波长改变为圆偏振输入光波(λ1)时，入射光不会被螺旋光栅调制，输出依然为高斯形分布的中央纤芯基模，使得出射光场为高斯光场。
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