專利名稱：基于陣列多芯的Airy光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖，優(yōu)選地應用于使用光纖的光束生成、微粒操控、傳感應用
坐寸O
背景技術：
光波在傳播過程中始終保持不變被認為是無衍射光束，無衍射波最典型的例子是貝塞爾光束。1 979 年，M.V.Berry 等(Am.J.Phys.，1979，47 (3):246 267)在量子學的背景下，理論上推出薛定諤方程具有無衍射的Airy波包的解，該波包具有自由加速的特性。2007 年 Georgios A.Siviloglou 等(Opt.lett.,2007,32(8):979 981)首先研究了有限能量的加速Airy光束,并首次觀察到Airy激光束的實驗結果(Frontiers in Optics, OSA,2007.PDP_B3)，實驗驗證了 Airy激光束具有不同尋常的特點，能保持長距離無衍射(Phys.Rev.Lett., 1987,58(15):1499 1510 和 J.0pt.Soc.Am.A, 1987,4 (4):651 654)傳播，并具有自由加速的特性。總之，Airy激光束具有以下非常誘人的3大特性:在傳播過程中自由加速(或橫向加速)，類似于重力作用下彈丸運動的彈道；在傳播過程中近似保持無衍射；在傳播過程中具有自愈的特性(Opt.Commun.，1998，151 (4-6):207 211 和 Opt.Commun.，1998，151(4-6):207 211)。Airy激光束具有的這些獨特的特性，因此有著廣泛的應用潛力。Pavel Polynkindeng 等(Science, 2009, 324 (5924):229 232)使用二維 Airy 激光束的飛秒脈沖引發(fā)空氣中非線性的等離子體細絲。J.Baumgartl等(Nature Photonics, 2008,2(11):675 678)利用Airy激光束照射在微米量級的交替顆粒樣品室里，實現(xiàn)了在局部區(qū)間精確轉(zhuǎn)移或清理光學顆粒。多芯光纖通常是指一組軸向平行的多個光纖芯置于普通的光纖包層之中形成的光纖。可以通過不同的拉制方法形成多種多芯光纖。美國專利(MulticoreGlassOptical Fiber and Methods of Manufacturing such Fibers， United States Patent，Patent Number6, 154, 594,2000)提出了截面形狀為圓形、橢圓形以及其它形狀的多芯光纖的制作方法；美國專利(Method for Producing Parallel Arrays of Fibers, UnitedStates Patent, Patent Number7, 209, 616B2, 2007)采用專用的拉絲收盤定位裝置，拉制出晶體光纖(或者毛細管型光纖、或者多孔光纖、或者微結構多芯光纖陣列)；歐洲專利(Method of Producing Multi core Fibers, European PatentSpecification, PatentNumberO, 151, 804B1)將多個單芯光纖預制棒按照一定空間角度排列直接拉出平板多芯光纖或者星型多芯光纖。盡管Airy光束的研究和應用越來越廣泛，但并未涉及利用陣列多芯光纖端出射場生成Airy光束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可在光纖端生成Airy光束的陣列多芯Airy光纖。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:在實驗中，有限能量Airy激光束可以采用高斯光束通過立方相位的調(diào)制，再經(jīng)過傅里葉透鏡實現(xiàn)。因此，當高斯光入射進入一段Airy光纖(光纖芯的空間排布滿足或近似滿足于Airy函數(shù))后，纖芯之間的光耦合可實現(xiàn)相位調(diào)制，通過改變Airy光纖的長度，可以使光纖端輸出光場的強度和相位都滿足或近似滿足于Airy光束的光強分布，這樣，就在Airy光纖端得到了 Airy光束或者準Airy光束。二維Airy激光束(如圖1所示)在空間中傳輸如圖2所示,從圖中,可以看出Airy光束所具有的3大特性:(1)自由加速(或橫向加速)，類似于重力作用下的彈丸運動的彈道；(2)在傳輸過程中近似保持無衍射；(3)自愈特性，當Airy激光束某一主極大衰減到極小值之后，馬上會逐漸“自愈”形成一個極大值。同樣，不管是一維Airy光纖(如圖3、4和5)還是二維Airy光纖(如圖6、7和8)的出射光場，它們都繼承了 Airy光束的部分特性，但是，由于圖中Airy光纖纖芯數(shù)量的限制，使得Airy光纖端出射的光束只擁有數(shù)量有限的主極大，因此，自愈特性受到了抑制，而自由加速和無衍射特性也被消弱。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點為:1、Airy光纖出射端出射的光束繼承或部分繼承了 Airy光束的三大特性，和一般單模光纖出射端出射的光場相比，其無衍射傳輸距離要大幾倍甚至更高。2、傳統(tǒng)的Airy光束通過幾何光路實現(xiàn)，而Airy光纖則把這些光路‘集成’在一起，結構微小，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強。3、由于Airy光纖空間柔韌性極好，因此可以選擇在任意合適的位置和方向上輸出Airy光束，便于在微粒操控和傳感上的應用。


圖1是二維Airy光束示意圖；圖2是二維Airy光束在空間中的傳輸示意圖；圖3是一維Airy光纖三維剖面圖示意圖；圖4是一維Airy光纖的橫截面示意圖；圖5是一維Airy光纖端出射光場在空間中的傳輸不意圖；圖6是二維Airy光纖三維剖面圖示意圖；圖7是二維Airy光纖的橫截面示意圖；圖8是二維Airy光纖端出射光場在空間中的傳輸示意圖；圖9是多組一維纖芯陣列非相交排列的Airy光纖橫截面示意圖；圖10是多組二維纖芯陣列相交或非相交排列的Airy光纖橫截面示意圖；圖11是Airy光纖端出射的準Airy光束光強、普通單模光纖出射高斯光束光強和Airy光束光強之間隨傳輸距離變化的關系對比示意圖；圖12是纖芯為十字形陣列分布的Airy光纖端出射光場在空間中的傳輸；圖13是帶光源尾纖的一維Airy光纖示意圖；圖14是與多組一維纖芯陣列非相交排列的Airy光纖匹配的多芯光纖和光纖尾纖的焊接對準示意圖；圖15是帶光源輸入結構的多組一維纖芯陣列非相交排列的Airy光纖示意圖16是帶光源尾纖的二維Airy光纖示意圖；圖17是帶光源輸入結構的多組二維纖芯陣列非相交排列的Airy光纖示意具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:結合圖3-圖5，本發(fā)明第一種實施方式具有一組一維線性陣列纖芯排布的一維Airy光纖(包含涂層1、包層2和纖芯陣列3)。向一段一維Airy光纖的一端輸入高斯光4，通過纖芯陣列3的光耦合，當這段一維Airy光纖的另一端的出射光場5的強度和相位剛好滿足(或近似滿足)一維Airy函數(shù)時，一維Airy光纖出射的光場將等同于(或近似等同于)Airy光束，它將繼承(或部分繼承)Airy光束的三大特性，保持無衍射繼續(xù)傳輸一定距離，并具有自由加速的 特性。結合圖6-圖8，本發(fā)明第二種實施方式具有兩組相互垂直相交的一維線性陣列纖芯排布的二維Airy光纖(包含涂層1、包層2和纖芯陣列3)。區(qū)別于一維Airy光纖，二維Airy光纖端出射光場的無衍射傳輸距離更遠。第一種實施方式的纖芯排布可以擴展到多組一維陣列纖芯相交或非相交排布，如圖9。同樣,第二種實施方式的纖芯排布也可以擴展到多組二維陣列纖芯相交或非相交排布，如圖10。相比于單組的一維或二維陣列纖芯排布Airy光纖，多組一維或二維陣列纖芯排布Airy光纖可根據(jù)需要改變每組纖芯的參數(shù)(折射率、芯徑和芯于芯的間距)，以實現(xiàn)每組纖芯出射的Airy光束存在一定的光強差或相位差，使Airy光纖的應用更加廣泛。Airy光纖纖芯排布方式對其無衍射傳輸距離影響非常巨大。圖11表示普通單模光纖6、一維Airy光纖7、二維Airy光纖8、纖芯十字形分布的Airy光纖9的纖端出射光場和Airy光束10的傳輸光場的歸一化光強隨傳輸距離(Z)的變化關系。從圖中可以看出，一般的一維或二維Airy光纖端出射的準Airy光束的無衍射傳輸距離遠遠大于高斯光束(普通單模光纖端出射光束可認為是高斯光束)，而一些特殊結構的Airy光纖(如圖中的纖芯十字形分布的Airy光纖9)出射光束的無衍射傳輸距離甚至要遠大于Airy光束，但由于結構對稱性，這種結構失去了自由加速的特性(如圖12)。實施例1:1、光源耦合:取一段一維Airy光纖，將一端的光纖涂覆層祛除、切割，然后與帶光源尾纖的單模光纖11對準、焊接，如圖13所示；2、封裝保護:將內(nèi)徑大于標準光纖或一維Airy光纖的石英管調(diào)至圖焊點12處，然后在石英管兩端用CO2激光器加熱焊接密封，或者用環(huán)氧樹脂封裝固化，然后進行二次涂覆完成整體保護；3、Airy光束生成:將一維Airy光纖的另一端(作為光束出射端)光纖涂覆層祛除、切割，輸入激光13，觀測一維Airy光纖出射端的光場5，若不滿足Airy分布，則繼續(xù)切割或研磨光纖端，直到出射光場5與Airy光束的相似度最大為止。實施例2:1、光源耦合:取一段纖芯與多組一維陣列纖芯非相交排列的Airy光纖相對應的多芯光纖14，如圖14所示，將一端的光纖涂覆層祛除、切割，然后與帶光源尾纖的單模光纖11對準、焊接，在圖14所示的焊點15處進行加熱至軟化狀態(tài)，然后進行拉錐，并進行光功率監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達到最大為止；2、封裝保護1:將內(nèi)徑大于多芯光纖或單模光纖的石英管調(diào)至圖15所示的錐體耦合區(qū)16處，然后在石英管兩端用CO2激光器加熱焊接密封，或者用環(huán)氧樹脂封裝固化；3、耦合連接:將多芯光纖另一端涂覆層祛除、切割，同時取一段多組一維陣列纖芯非相交排列的Airy光纖，將一端的光纖涂覆層祛除、切割，然后將它們對準、焊接，如圖15所示；4、封裝保護2:將內(nèi)徑大于多芯光纖或Airy光纖的石英管調(diào)至圖焊點17處，然后在石英管兩端用CO2激光器加熱焊接密封，或者用環(huán)氧樹脂封裝固化，然后進行二次涂覆完成整體保護； 5、Airy光束生成:輸入激光13，觀測Airy光纖出射端的光場5，若不滿足Airy分布，則繼續(xù)切割或研磨光纖端，直到出射光場5與Airy光束的相似度最大為止。實施例3:實施例1和實施例2中的一維Airy光纖可由二維Airy光纖代替，如圖16和圖17。
權利要求
1.一種基于陣列多芯的Airy光纖由涂層、包層、一組或多組陣列芯構成，其特征是:所述的Airy光纖每一組陣列芯的空間排布滿足或近似滿足Airy函數(shù)，并且總會存在某一長度的Airy光纖，當向光纖一端輸入高斯光束時，通過纖芯之間的光耦合，光纖另一端每一組陣列芯的出射光束的光強分布都滿足或近似滿足于Airy光束的光強分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于陣列多芯的Airy光纖，其特征是:所述的某一長度的Airy光纖的長度值取決于光纖的折射率分布、每個纖芯的芯徑和纖芯之間的間距。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于陣列多芯的Airy光纖，其特征是:所述的一組光纖芯的幾何分布特征是:兩個或兩個以上的實心纖芯一維線性陣列分布。
4.根據(jù)權利要求1-3任何一項所述的基于陣列多芯的Airy光纖，其特征是:所述的多組陣列芯的幾何分布特征是:兩組或兩組以上的一維線性陣列纖芯相交或非相交排列。
5.根據(jù)權利要求1-4任何一項所述的一種基于陣列多芯的Airy光纖，其特征是:所述的光纖芯的形狀是:圓形、橢圓形和其它多邊形的一種。
6.根據(jù)權利要求1-5任何一項所述的一種基于陣列多芯的Airy光纖，其特征是:所述的光纖芯的傳輸模 式的特征是:單?；蚨嗄?。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于陣列多芯的Airy光纖，包括涂層、包層、一組或多組陣列芯。該光纖的每一組陣列芯的空間排布滿足或近似滿足Airy函數(shù)，并且總會存在某一長度的Airy光纖，當向光纖一端輸入高斯光束時，通過纖芯之間的光耦合，光纖另一端每一組陣列芯的出射光束的光強分布滿足或近似滿足Airy光束的光強分布。本發(fā)明基于陣列多芯的Airy光纖，該光纖纖端出射的光束繼承或部分繼承了Airy光束的三大特性，即光束具有橫向加速、無衍射和自愈能力，整體上具有結構微小、操作靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定和抗干擾能力強等特點。可以用于光束生成、微粒操控、傳感應用等。
文檔編號G02B6/02GK103246008SQ20121003118
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權日2012年2月13日
發(fā)明者苑立波, 鄧洪昌 申請人:無錫萬潤光子技術有限公司