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1、(10)申请公布号 CN 103969739 A (43)申请公布日 2014.08.06 C N 1 0 3 9 6 9 7 3 9 A (21)申请号 201310030067.5 (22)申请日 2013.01.28 G02B 6/02(2006.01) C03B 37/15(2006.01) (71)申请人无锡万润光子技术有限公司 地址 214131 江苏省无锡市滨湖区高浪东路 999号无锡(滨湖)国家传感信息中心 A1栋18楼 (72)发明人苑立波 邓洪昌 (54) 发明名称 基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方 法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于线性折射率分布纤芯 的涡旋光。
2、纤及其制备方法，该光纤由纤芯折射率 呈线性分布的光纤进行热熔扭转而成，因此该光 纤纤芯的折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺 旋曲线分布。这种折射率分布可以导致传导光波 形成径向相位差，从而使得光纤中传输的光波获 得轨道角动量，同时在光强和相位上形成涡旋传 输，实现类涡旋光传输模式。该光纤在整体上具有 结构微小、操作灵活、系统稳定和抗干扰能力强等 特点。可以用于光束生成、微粒操控、传感应用等。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103969739。
3、 A CN 103969739 A 1/1页 2 1.一种基于线性折射率分布纤芯的涡旋光纤，其特征是：所述的涡旋光纤包括包层和 纤芯，其纤芯的折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺旋曲线分布，当光波输入到涡旋光纤 时，会因折射率分布的差异而形成径向相位差，从而使传导光波获得轨道角动量，同时在光 强和相位上形成涡旋传输，实现类涡旋光传输模式。 2.一种基于线性折射率分布纤芯的涡旋光纤的制备方法，其制备步骤是：(1)将一段 纤芯折射率线性分布的光纤一端固定，另一端施加一垂直(水平)负载，使之一直保持垂直 (水平)状态；(2)将该光纤进行加热，待光纤处于熔融状态时进行扭转；(3)将处于扭转状 态的光纤冷。
4、却定型后即形成涡旋光纤。 3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方 法，其特征是：所述的涡旋光纤纤芯折射率在纵向上呈螺旋分布的螺距H满足如下关系：H 2( 1 - 2 ) -1 ，其中 1 表示纤芯基模的传输常数， 2 表示包层基模的传输常数。 4.根据权利要求1-3任何一项所述的基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法， 其特征是：所述的涡旋光纤纤芯折射率在纵向上呈螺旋分布的周期特征是：恒定周期或变 周期。 权 利 要 求 书CN 103969739 A 1/3页 3 基于线性折射率分布的涡旋光纤及其制备方法 ( 一 ) 技术领域 0001 本发明涉及一种光。
5、纤及其制备技术，具体涉及一种基于线性折射率分布的涡旋光 纤及其制备方法。 ( 二 ) 背景技术 0002 涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量(Physical Review A，1992，45(11)： 8185-8189)，因此近年来被广泛研究，并在通信、光镊、原子操纵和显微技术中得到了极大 应用。生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(Optics Express，2008，16(21)： 16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光 耦合，这样就带来许多不便。 0003 而基于光纤的涡旋光生成器则在远程交互和制作紧密型涡旋光器件上更。
6、具优势。 研究者们使用声学长周期光栅(Physical Review Letters，2006，96(4)：43604)或者利用 在多模光纤中的诱导压力(Applied Optics，1998，37(3)：469-472)实现了涡旋光传输模 式。然而在光纤中模式耦合会破坏轨道角动量模式，从而导致多路干涉。在绝大多数多模 光纤中，TE/TM模式和需要的HE 21 模式是共存的，这样它们经过模式耦合会在输出端生成线 性偏振模式(LP模式)，LP模式并不是光纤真正的本征模式，它也不能携带轨道角动量。因 此，文献(Optics Letters，2012，37(13)：2451-2453)报道了利用微弯。
7、光栅来消弱高阶LP 11 模式的生成，进而把输入模式转化为所需要的HE 21 模式，最终生成高纯度的涡旋光束。 0004 美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)提出了一种纤芯折射率仅 随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤 即可生成涡旋光束。虽然该涡旋光束生成器结构极为简单，但是制备这种光纤却非常困难， 因此本发明提出了由纤芯折射率线性分布的光纤热熔扭转而成的新型涡旋光纤，这种涡旋 光纤不但制备比较容易，而且可同时在光强和相位上获得涡旋。 ( 三 ) 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种可生成类涡旋光传输模式的。
8、涡旋光纤及其制备方法。 0006 本发明的目的是这样实现的： 0007 涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量，为了得到轨道角动量，光纤必须携 带更高阶模式，例如，相移为/2的两个HE 21 模式的线性组合即可实现轨道角动量模式。 由于本发明的涡旋光纤的纤芯折射率在横向呈线性分布，在纵向呈螺旋曲线分布，因而当 光波输入到涡旋光纤时，会因折射率分布的差异而形成径向相位差，从而使传导光波获得 轨道角动量，同时在光强和相位上形成涡旋传输，实现类涡旋光传输模式。 0008 与现有技术相比，本发明的优点为： 0009 1、涡旋光纤的制备简单，可直接由纤芯折射率线性分布的光纤热熔扭转而成。 0010 2、。
9、涡旋光纤的折射率螺旋分布函数在制备过程中是可控的，最终可实现对生成涡 旋光束特征的控制。 说 明 书CN 103969739 A 2/3页 4 0011 3、涡旋光纤空间柔韧性极好，因此可以选择在任意合适的位置和方向上输出涡旋 光束，便于在微粒操控和传感上的应用。 ( 四 ) 附图说明 0012 图1是纤芯折射率分布为螺距恒定的螺旋曲线的涡旋光纤示意图； 0013 图2是图1涡旋光纤的横截面折射率分布(a)三维(b)二维和(c)一维示意图； 0014 图3是涡旋光纤的归一化光强传输图； 0015 图4是涡旋光纤在(a)Z1000m、(b)Z1100m、(c)Z1200m和(d)Z 1300m横。
10、截面处的相位分布图； 0016 图5是折射率线性分布的保偏光纤示意图； 0017 图6是涡旋光纤的制备示意图； 0018 图7是纤芯折射率分布为螺距变化的螺旋曲线的涡旋光纤示意图； 0019 图8是带光源的尾纤与纤芯折射率分布为螺距恒定的螺旋曲线的涡旋光纤连接 示意图； 0020 图9是带光源的尾纤与纤芯折射率分布为螺距变化的螺旋曲线的涡旋光纤连接 示意图； ( 五 ) 具体实施方式 0021 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 0022 结合图1-图4，本发明第一种实施方式具有一段涡旋光纤，其包层1的折射率分布 为恒定常数n cl ，而纤芯2的折射率在横向呈线性分布(如图2，最小值为n。
11、 1 ，最大值为n 2 )， 在纵向呈螺距恒定的螺旋曲线分布3。向该涡旋光纤的一端输入光源4，在涡旋光纤中即可 生成涡旋光传输模式，同时实现如图3所示的光强涡旋和如图4所示的相位涡旋。 0023 该光纤的制备过程可分为以下几个步骤(如图5-图6)： 0024 步骤1：如图5所示，选取一段保偏光纤6，该光纤包层7的折射率分布为恒定常数 n cl ，而纤芯8的折射率为线性分布(最小值为n 1 ，最大值为n 2 )； 0025 步骤2：如图6所示，用光纤夹具9固定好保偏光纤6一端，另一端施加一垂直负 载10，使保偏光纤6一直保持垂直状态； 0026 步骤3：对固定好的保偏光纤6进行加热，待加热区域1。
12、1内的光纤处于熔融状态 时施加一轴向扭转力12； 0027 步骤4：停止加热，待加热区11内的光纤冷却后即得到涡旋光纤13。 0028 结合图7，本发明第二种实施方式与第一种实施方式类似，但此时的涡旋光纤纤芯 2的折射率在横向仍呈线性分布，但在纵向却呈螺距变化的螺旋曲线分布14，在制备过程 中，可以通过控制扭转力12的扭转速度来实现这种折射率分布。 0029 实施例1： 0030 1、光纤制备：按照第一种实施方式的光纤制备方法制备出涡旋光纤13； 0031 2、光源耦合：将制备好的涡旋光纤13进行切割，然后与带光源尾纤的单模光纤15 对准、焊接，如图8所示； 0032 3、涡旋光束生成：输入激光16后就会在涡旋光纤13中实现涡旋光模式传输，并在 说 明 书CN 103969739 A 3/3页 5 可在光纤端输出类涡旋光束。 0033 实施例2： 0034 实施例1中的涡旋光纤13可由折射率分布螺旋曲线的螺距变化的涡旋光纤17代 替，如图9。 说 明 书CN 103969739 A 1/4页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103969739 A 2/4页 7 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103969739 A 3/4页 8 图5 图6 说 明 书 附 图CN 103969739 A 4/4页 9 图7 图8 图9 说 明 书 附 图CN 103969739 A 。