利用电控可调光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置及方法

摘要

本发明提出一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置和方法，利用电控可调谐光栅的线偏振特性，可以实现纤芯中线偏振矢量基模与TM01和TE01模式之间的高效耦合，可以产生具有严格径向和角向偏振特性的柱状矢量光场。通过优化电控可调谐光栅的折射率调制度，可以实现线偏振矢量基模与柱矢量光场之间的完全耦合。而且通过调整调制电控可调谐光栅的周期可以便捷的在光纤中实现不同波长处柱矢量光产的产生。本发明所用装置器件简单，具有很高的柱状矢量光场产生效率，所产生柱矢量光束具有很高的模式纯度，同时，也可以方便地实现不同径向和角向矢量光场之间的转换，而且可以通过调整射频信号在不同的波长实现柱矢量光场的产生。

权利要求

1.一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：包括偏振光源、半波片、第一显微物镜、光纤、扰模器、射频发生器、超声波发生装置和第二显微物镜；偏振光源产生线偏振光，线偏振光的偏振方向由半波片进行调整，经半波片后的线偏振光经第一显微物镜耦合到光纤中传输，光纤中的线偏振光经扰模器滤除光纤中的高阶模，使光纤中只剩线偏振矢量基模传输；超声波发生装置的发射端与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，射频发生器产生射频信号驱动超声波发生装置产生超声波，超声波耦合到光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；光纤出射的柱状矢量光场经第二显微物镜准直，得到柱状矢量光束。

2.根据权利要求1所述一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：扰模器为圆柱形金属棒，光纤缠绕在圆柱形金属棒上。

3.根据权利要求1所述一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：还包括偏振片，偏振片对偏振光源输出的线偏振光进一步纯化。

4.一种在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1所述利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，通过调整半波片，使光纤中传输的线偏振矢量基模的偏振方向与光纤中传播的超声波振动方向平行，得到径向偏振矢量光束。

5.一种在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1所述利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，通过调整半波片，使光纤中传输的线偏振矢量基模的偏振方向与光纤中传播的超声波振动方向垂直，得到角向偏振矢量光束。

6.一种在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1所述利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，通过射频发生器改变光纤中传播的超声波频率，得到不同波长的偏振矢量光束。

说明书

利用电控可调光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电技术领域，具体为一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置和方法。

背景技术

[0002] 柱状矢量光场是一种偏振态呈空间柱对称分布的光场，柱状矢量光束主要有以下三类：径向偏振、角向偏振和混合偏振矢量光场。由于其特有的电场分布，柱状矢量光束在
工程和科研领域都具有重要的应用价值和研究意义。以径向偏振矢量光场为例，在高数值
孔径聚焦的情况下，其具有很强的纵向电场分量，其在激光微纳加工、二次谐波产生(SHG)、
超分辨成像、表面等离激元虚拟探针、模分复用等领域都具有重要的实际用用价值。

[0003] 截止目前，研究者们提出了很多种产生矢量光束的方法，主要可以分为三类：腔内法、腔外法及光纤产生矢量光。腔内法主要是通过设计光学元件，比如液晶、光栅、螺旋相位
板等，将激光器输出光束的偏振态直接转换为柱对称偏振态；腔外法主要是利用多束偏振
态和相位经过调制的光场，通过多光束叠加形成柱状矢量光场。虽然上述两种方法都能够
用于实现柱状矢量光束的产生，但是利用上述方法产生柱矢量光场需要对空间光路精确调
整才能实现柱状矢量光束的产生，而且转换效率比较低，模式的纯度也相对较低。

[0004] 对于通信系统使用的常规光纤，其圆对称纤芯结构支持的TM01模、TE01模的横向电场具有严格的径向和角向点成分布特性。另一方面，由于这两种模式是光纤结构的本征解，
因此这两种模式具有更高的模式纯度。目前光纤中产生柱状矢量光场主要有以下两种方
法。1、调整高斯光束和光纤端面之间的入射角直接在光纤中实现柱状矢量光束的产生。这
种方法需要精确调整空间高斯光束与光纤端面之间的夹角，因此耦合效率比较低，从而柱
状矢量光束的转换效率很低，而且容易在纤芯中激发出其它模式，会影响柱状矢量光束的
纯度。2、利用挤压光栅在光纤中实现柱状矢量光束的产生，由于挤压光栅的周期不能够进
行精确调整，因此缺乏便捷的波长可调谐特性。

发明内容

[0005] 面对以上问题，本发明利用电控可调谐光栅在光纤中实现柱状矢量光束的高效产生及转换。利用电控可调谐光栅的线偏振特性，可以实现纤芯中线偏振矢量基模与TM01和
TE01模式之间的高效耦合，可以产生具有严格径向和角向偏振特性的柱状矢量光场。通过优
化电控可调谐光栅的折射率调制度，可以实现线偏振矢量基模与柱矢量光场之间的完全耦
合。而且通过调整调制电控可调谐光栅的周期可以便捷的在光纤中实现不同波长处柱矢量
光产的产生。

[0006] 技术方案

[0007] 在本发明的一个方面，本发明提出一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：包括偏振光源、半波片、第一显微物镜、光纤、扰模器、射频发生
器、超声波发生装置和第二显微物镜；偏振光源产生线偏振光，线偏振光的偏振方向由半波
片进行调整，经半波片后的线偏振光经第一显微物镜耦合到光纤中传输，光纤中的线偏振
光经扰模器滤除光纤中的高阶模，使光纤中只剩线偏振矢量基模传输；超声波发生装置的
发射端与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，射频发生器产生射频信号驱动超声波发生装置产生
超声波，超声波耦合到光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；光纤出射的柱状矢量光场经
第二显微物镜准直，得到柱状矢量光束。

[0008] 进一步的优选方案，所述一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：扰模器为圆柱形金属棒，光纤缠绕在圆柱形金属棒上。

[0009] 进一步的优选方案，所述一种利用电控可调谐光栅在光纤中产生柱状矢量光束的装置，其特征在于：还包括偏振片，偏振片对偏振光源输出的线偏振光进一步纯化。

[0010] 所述一种利用上述装置在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：调整半波片，使光纤中传输的线偏振矢量基模的偏振方向与光纤中传播的超声波振动方向平行，
得到径向偏振矢量光束。

[0011] 所述一种利用上述装置在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：调整半波片，使光纤中传输的线偏振矢量基模的偏振方向与光纤中传播的超声波振动方向垂直，
得到角向偏振矢量光束。

[0012] 所述一种利用上述装置在光纤中产生柱状矢量光束的方法，其特征在于：通过射频发生器改变光纤中传播的超声波频率，得到不同波长的偏振矢量光束。

[0013] 有益效果

[0014] 本发明提出一种利用电控可调谐光栅在光纤中实现矢量光束产生及装换的装置，所用装置器件简单，系统具有很高的稳定性，系统也具有很高的柱状矢量光场产生效率，所
产生柱矢量光束具有很高的模式纯度，同时，也可以方便地实现不同径向和角向矢量光场
之间的转换，而且可以通过调整射频信号在不同的波长实现柱矢量光场的产生。

附图说明

[0015] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0016] 图1为本发明结构示意图；图中，1-光源，2-偏振片，3-半波片，4-第一显微物镜，5-光纤，6-扰模器，7-射频发生器，8-超声波发生装置，9-第二显微物镜，10-检偏器，11-图像
采集系统。

[0017] 图2为本发明径向偏振矢量光束产生及检验结果。

[0018] 图3为本发明角向偏振矢量光束产生及检验结果。

[0019] 图4为本发明不同波长矢量光场的产生及检验结果。

具体实施方式

[0020] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0022] 此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。

[0023] 本实施例的目的是提供一种利用电控可调谐光栅在光纤中实现柱状矢量光束产生及装换的装置，所设计的矢量光束产生装置可以直接在光纤中实现柱状矢量光束的产生
及转换，而且具有高的转换效率和好的模式纯度。

[0024] 如图1所示，该装置包括偏振光源1、半波片3、第一显微物镜4、光纤5、扰模器6、射频发生器7、超声波发生装置8和第二显微物镜9。本实施例中还优选包括偏振片2.

[0025] 偏振光源1产生线偏振光，偏振片2对偏振光源1输出的线偏振光进一步纯化，线偏振光的偏振方向由半波片3进行调整，经半波片3后的线偏振光经第一显微物镜4耦合到光
纤5中传输，经第一显微物镜4耦合进光纤5中的线偏振光经扰模器6滤除光纤中的高阶模，
使光纤中只剩线偏振矢量基模传输。

[0026] 超声波发生装置8的发射端与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，射频发生器7与超声波发生装置8通过射频线进行连接，射频发生器7产生射频信号驱动超声波发生装置8产生超
声波，超声波发生器产生的超声波耦合到光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；从扰模器
6出射的线偏振矢量基模经过光纤5时，纤芯中的矢量基模在光纤5中被转换为柱状矢量光
场；光纤5出射的柱状矢量光场经第二显微物镜9准直，得到柱状矢量光束。

[0027] 本实施例中，扰模器采用直径为5mm的圆柱形金属棒，光纤缠绕在圆柱形金属棒上，利用光纤的弯曲损耗滤除光纤纤芯中的高阶模，使得纤芯中只剩下线偏振基模传输。

[0028] 本实施例中，经第二显微物镜9准直的平行光束利用图像采集设备11进行图像采集；并在第二显微物镜9和图像采集设备11之间加入检偏器10，利用检偏器10检测光纤5中
所产生柱状矢量光束的偏振特性。

[0029] 本实施例中，利用图1所示的柱状矢量光束产生及检测装置，超声波在光纤中传输时，可在光纤中形成竖直方向的折射率调制，利用半波片把光纤中传输的线偏振矢量基模
的偏振方向调整为竖直偏振，当光纤中传输的声波振动方向和光波的偏振方向平行时，纤
芯中的矢量基模被转换为径向偏振的矢量光，其实验结果如图2所示，图2(a)为径向偏振矢
量光束产生实验结果，图2(b-e)为径向矢量光束偏振特性测量结果。。当光纤中传输的声波
振动方向与光波的偏振方向相互垂直时，纤芯中的矢量基模被转换为角向偏振的矢量光，
其实验结果如图3所示，图3(a)为角向偏振矢量光束产生实验结果，图3(b-e)为角向矢量光
束偏振特性测量结果。

[0030] 此外，超声波在光纤中传输时，在光纤中形成周期性的折射率调制，通过改变射频信号的频率，可以改变光纤中超声波的频率，从而在光纤中构造出不同周期的线偏振光栅，
不同周期的线偏振光栅可以在光纤中实现不同波长处矢量光束的产生。如图4所示，利用半
波片使光纤中声波振动方向和光波的偏振方向调整为平行，并利用射频信号调整光纤中线
偏振光栅的周期，从而可以在光纤中实现不同波长处矢量光束的产生，并可利用图1中给出
的实验装置对其偏振特性进行检测。在光纤中线偏振矢量基模偏振方向与线偏振声波的振
动方向平行的前提下，通过调整射频信号的频率，可以在光纤中实现其它波长矢量光束的
产生，并可对其偏振特性进行检测，其实验结果如图4所示。图4(a)另一光波长处径向偏振
矢量光束产生实验结果，图2(b-e)为该波长径向矢量光束偏振特性测量结果。

[0031] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。