一種全光纖Bessel光束生成器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種全光纖Bessel光束生成器，該生成器由一段標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖、環(huán)形芯光纖和漸變折射率光纖組成。當(dāng)向單芯光纖中輸入光波后，傳輸光波會(huì)耦合到環(huán)形芯光纖中形成環(huán)形光場(chǎng)，然后環(huán)形光場(chǎng)經(jīng)過漸變折射率光纖的等效傅里葉光學(xué)變換在其術(shù)端形成Bessel光束。由于本發(fā)明的光束生成器采用了全光纖系統(tǒng)，并用漸變折射率光纖實(shí)現(xiàn)了透鏡的功能，因此相比于傳統(tǒng)的幾何光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)生成器更易實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)并更加穩(wěn)定，此外還具有結(jié)構(gòu)微小、操作靈活和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該光束生成器可應(yīng)用于光束生成、微粒操縱和傳感等領(lǐng)域。
【專利說明】一種全光纖Bessel光束生成器
(—)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種全光纖Bessel光束生成器,可應(yīng)用于光束生成、微粒操控、傳感應(yīng)用等。
(二)

【背景技術(shù)】
[0002]光波在傳播過程中始終保持不變被認(rèn)為是無衍射光束，無衍射波最典型的例子是Bessel光束。Durnin于1987年首次提出Bessel光束的數(shù)學(xué)模型。我們知道，亥姆霍茲方程的Whitaker解存在Bessel形式的特解,并與傳輸方向無關(guān)。然而，現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)這種無限能量的 Bessel 光束，因此，Durnin 及其同事(J.Durnin, J.0pt.Soc.Am.A, 1987,4 (4):651-654.)在實(shí)驗(yàn)上得到了一種有限能量的準(zhǔn)Bessel光束,該光束在一定的傳輸距離內(nèi)具有Bessel光束的特性，既無衍射和自我重組特性。基于這兩種特性，Bessel光束被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，其中包括光捕獲與操縱、光束縛、非線性光學(xué)、光相干層析掃描、微加工、干涉測(cè)量和光刻等。
[0003]生成Bessel光束的方法有很多種，其中最常見的一種是，平面波通過二次曲面或圓錐曲面產(chǎn)生干涉來生成Bessel光束，這種方法通常是在幾何光學(xué)器件的焦點(diǎn)處放置一環(huán)形孔來實(shí)現(xiàn)，這種方法在美國專利(US20110304723和US5336875)和中國專利(CN201110142422.9和CN201110390198.5)中都有提及。近年來，研究者們利用光纖結(jié)構(gòu)來生成了 Bessel光束，例如長周期光柵光纖(美國專利US20090257711)、中空光纖(J.K.Kim, J.Kim,Y.Jung et al.,Opt.Lett.,2009,34(19):2973-2975)、多模光纖(X.Zhu，A.Schiilzgen, L.Li et al.,Appl.Phys.Lett., 2009,94201102.)等。雖然目前存在許多基于光纖結(jié)構(gòu)的Bessel光束生成器,但大部分都需要添加光纖微透鏡,而添加光纖微透鏡就會(huì)帶來制作難度高、不易對(duì)準(zhǔn)或系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，因此，本發(fā)明采用了一段漸變折射率光纖來替代光纖微透鏡，不但克服了以上缺點(diǎn)，同時(shí)還保留了全光纖光束生成器的特點(diǎn)。
(三)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種全光纖Bessel光束生成器,該生成器由一段標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖、環(huán)形芯光纖和漸變折射率光纖組成。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]傳統(tǒng)基于透鏡的Bessel光束是這樣生成的:在透鏡的焦平面上放置一環(huán)形狹縫，平面光通過環(huán)形狹縫形成環(huán)形光場(chǎng)，然后由透鏡干涉形成Bessel光束。有鑒于此，本發(fā)明首先利用標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖與環(huán)形芯光纖的拉錐耦合來生成環(huán)形光場(chǎng)。由于在漸變折射率光纖中光波傳輸路徑呈正弦分布，因此可以利用一段漸變折射率光纖來實(shí)現(xiàn)透鏡的傅里葉變換功能?；跐u變折射率光纖的這一特性，我們接著用一段漸變折射率光纖對(duì)之前在環(huán)形芯光纖端生成的環(huán)形光場(chǎng)進(jìn)行等效傅里葉變換，最后在漸變折射率光纖端形成Bessel光束。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0008]1、采用了全光纖結(jié)構(gòu)，解決了幾何光路對(duì)準(zhǔn)難的問題；
[0009]2、把整個(gè)光束生成系統(tǒng)集成于“一根”光纖中，具有系統(tǒng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)微小、和操作靈活等特點(diǎn)；
[0010]3、相比于其他采用聚合物透鏡的全光纖Bessel光束生成器，本發(fā)明采用漸變折射率光纖替代了聚合物透鏡，從而極大提高了工作功率，解決了激光功率過高對(duì)聚合物透鏡的損傷問題。
(四)

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是具有內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的全光纖Bessel光束生成器的光束生成示意圖；
[0012]圖2是標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖(a)、內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖(b)、梯度折射率光纖(C)、壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖(d)和M型波導(dǎo)光纖(e)的橫截面折射率分布示意圖；
[0013]圖3是環(huán)形光束在漸變折射率光纖傳輸以及在其纖端出射后的光場(chǎng)分布圖；
[0014]圖4是由全光纖Bessel光束生成器生成的Bessel光束的橫截面光場(chǎng)分布圖；
[0015]圖5是具有壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的全光纖Bessel光束生成器的光束生成示意圖；
[0016]圖6是具有M型波導(dǎo)光纖的全光纖Bessel光束生成器的光束生成示意圖；
[0017]圖7是標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖與內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的焊接示意圖；
[0018]圖8是標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖與內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的加熱拉錐示意圖；
[0019]圖9是具有內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的全光纖Bessel光束生成器示意圖；
[0020]圖10是具有壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的全光纖Bessel光束生成器示意圖；
[0021]圖11是具有M型波導(dǎo)光纖的全光纖Bessel光束生成器示意圖；
(五)

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0023]結(jié)合圖1-圖4,本發(fā)明第一種實(shí)施方式具有一段標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖I (包含纖芯2和包層3，如圖2 (a))、內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖4(包含壞形纖芯5、包層3和中空毛細(xì)管6，如圖2 (b))和漸變折射率光纖7 (包含漸變折射率纖芯8和包層3，如圖2 (C))，在單芯光纖纖芯2中的傳輸光9經(jīng)過拉錐區(qū)10耦合到內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖環(huán)形芯5中形成環(huán)形光場(chǎng)11，然后環(huán)形光場(chǎng)11進(jìn)入漸變折射率光纖的纖芯8中繼續(xù)傳輸，從圖3可以看出，環(huán)形光場(chǎng)11在漸變折射率光纖的纖芯8中的傳輸光線軌跡是正弦的，因此，漸變折射率光纖7起著透鏡的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形光場(chǎng)11的等效傅里葉變換，最終在纖端生成Bessel光束12(如圖4)。
[0024]結(jié)合圖5和圖6，本發(fā)明第二種實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式類似，但此時(shí)的環(huán)形光場(chǎng)11將由壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖13 (包含環(huán)形纖芯5、包層3和中空毛細(xì)管6，如圖2(d))或M型波導(dǎo)光纖14 (包含環(huán)形纖芯5和包層3，如圖2 (e))生成。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]1、光纖連接1:取一段標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖I和內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖4，首先對(duì)它們進(jìn)行涂覆層祛除、切割和側(cè)面拋磨，然后進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、焊接，如圖7所示；
[0027]2、耦合連接:在圖7所示的焊點(diǎn)15處加熱至軟化狀態(tài)，然后進(jìn)行拉錐；
[0028]3、封裝保護(hù):將內(nèi)徑大于標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖或內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的石英管調(diào)至圖8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，然后進(jìn)行二次涂覆完成整體保護(hù)，這樣就制備了標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖與內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的耦合連接部件；
[0029]4、光纖連接2:取一段漸變折射率光纖7，對(duì)其進(jìn)行涂覆層祛除、切割和側(cè)面拋磨，然后與步驟3制備好的部件的一端(內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖纖端)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、焊接，最后在如圖9所示的焊點(diǎn)17處進(jìn)行封裝保護(hù)(參照步驟3)，這樣就完成了整個(gè)全光纖Bessel光束生成器的制備；
[0030]5> Bessel光束生成:輸入激光18,在生成器輸出端(漸變折射率光纖纖端)就可產(chǎn)生Bessel光束12，如圖9所示。
[0031]實(shí)施例2:
[0032]同實(shí)施例1 一樣，將內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖4替換為壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖13或M型波導(dǎo)光纖14，如圖10和11所示。
【權(quán)利要求】
1.一種全光纖Bessel光束生成器,其特征是:所述的生成器包括一段標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖、環(huán)形芯光纖和漸變折射率光纖，環(huán)形芯光纖的一端與單芯光纖熔融拉錐連接，而另一端與漸變折射率光纖直接焊接，當(dāng)向單芯光纖中輸入光波后，傳輸光波會(huì)耦合到環(huán)形芯光纖中形成環(huán)形光場(chǎng)，然后環(huán)形光場(chǎng)經(jīng)過漸變折射率光纖的等效傅里葉光學(xué)變換在其術(shù)端形成Bessel 光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖Bessel光束生成器，其特征是:所述的環(huán)形芯光纖的類型為:內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖、壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖或M型波導(dǎo)光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全光纖Bessel光束生成器，其特征是:內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的中央為毛細(xì)管，毛細(xì)管內(nèi)壁處為環(huán)形波導(dǎo)纖芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全光纖Bessel光束生成器，其特征是:壁中波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的中央為毛細(xì)管，毛細(xì)管內(nèi)壁與其外包層之間有環(huán)形波導(dǎo)纖芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全光纖Bessel光束生成器，其特征是:M型波導(dǎo)光纖具有環(huán)形波導(dǎo)纖芯，環(huán)形波導(dǎo)纖芯內(nèi)部與外部只有包層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖Bessel光束生成器,其特征是:所述的環(huán)形芯光纖的波導(dǎo)纖芯的環(huán)形外直徑小于漸變折射率光纖纖芯直徑。
【文檔編號(hào)】G02B6/028GK104181637SQ201310195673
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月24日
【發(fā)明者】苑立波, 鄧洪昌 申請(qǐng)人:無錫萬潤光子技術(shù)有限公司