+圆柱偏振光束 |
|||||||
| 申请号 | CN200980133792.7 | 申请日 | 2009-07-09 | 公开(公告)号 | CN102132177A | 公开(公告)日 | 2011-07-20 |
| 申请人 | 康宁股份有限公司; | 发明人 | R·R·阿尔法诺; X·陈; 高周铉; M·李; D·A·诺兰; H·兹图尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 揭示了圆柱偏振光束的产生，具体而言，利用旋转光 波导 器件由输入的线性偏振高斯光束产生称为HARP模式的混合方位径向偏振光束。HARP模式由混合方位偏振(HAP)和混合径向偏振(HRP)的 叠加 模式构成。这些光束拥有空间变化的非零局部 角 动量 密度 和零总角动量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有空间分布的光旋涡模式的旋转光纤，所述光旋涡模式具有混合方位或混合径向偏振，所述光旋涡模式以圆柱偏振光束的形式离开所述光纤。 |
||||||
| 说明书全文 | +圆柱偏振光束[0001] 相关申请的交叉引用 背景技术[0003] 圆柱偏振光束包括混合方位和径向混合偏振光束以及径向和方位偏振光束，这种圆柱偏振光束是利用旋转光波导器件由输入的线性偏振高斯光束产生的且被称为HARP模式。 [0004] 具有光学漩涡的光束是许多重要应用所需的。这些应用包括，例如，光学成像、光刻、电子粒子加速、材料加工、高效的激光切割、焊接以及计量。此外，径向和方位偏振的光使得光束的聚焦超过衍射极限，同时产生静态的纵向电场与磁场。 [0005] 径向和/或方位偏振光束被称为圆柱矢量光束，其可利用若干种不同方法产生，包括例如腔内偏振操纵、计算机产生的全息图、对少模光纤的偏置输入、以及用高阶模式对光纤进行激励。对于像光学捕获这样的应用，径向偏振光束能捕获环境介质，而方位偏振光束用于捕获其介电常数比环境介质低的粒子。径向和方位偏振之间的切换可例如通过两个半波片来实现。 [0006] 虽然这些方法被设计用于产生矢量光束，但这些方法是复杂的，因为他们涉及与诸如非对称相移片、半波片和偏振控制器等多个微光学器件结合使用少模光纤。举例而言，可首先利用相移片将输入的高斯光束转换为非对称光束，然后使用多个偏振元件以使其转换到圆柱偏振模式。 [0007] 众所周知，使光纤旋转可使得光纤的第一空间模式(即LP01模式)的两个线性偏振模式之间耦合。参见例如A.J.Barlow等的《应用光学》第20期第2961页(1981)(Applied Optics 20，2961，(1981))；美国专利No.5,298,047；以及M.J.Li和D A.Nolan的《光学通讯》第23卷第21期第1659-1661页(1998)(Optics Letters，Vol.23，No.21，pgs.1659-1661，(1998))。出于减少在长距离光纤传输线路中的偏振模式色散的目的，这些旋转工艺和技术已经得到很好的研究。 发明内容[0008] 本发明描述了用于由输入的线性偏振高斯光束产生圆柱偏振光的方法，该圆柱偏振光包括我们所称的混合方位偏振模式和混合径向偏振模式。混合方位偏振模式是方位偏振模式和HE21模式的组合。混合径向偏振模式也是径向偏振模式和HE21模式的组合。该转换发生于一种旋转少模光波导器件中。该波导是具有适当折射率分布以使得旋涡-矢量偏振模式的线性偏振LP11叠加能传播的旋转光波导器件。另外，纤芯可略呈椭圆形，并且纤芯的中心略微偏离该器件的几何中心。在拉制过程期间使光纤旋转就使得这些非对称性按旋转频率沿着器件长度进行旋转。以厘米或更小量级在高频叠加下使该器件旋转就使得光从输入的基模耦合到作为旋涡矢量模式的叠加的LP11模式。这些模式包括HE21、径向和方位模式。 [0010] 图1是四个LP11模式的偏振模式的线条图示，如下：(a)是TE01模式的偏振图案，偶数 奇数(b)是TM01模式的偏振图案，(c)是HE21 模式的偏振图案，以及(d)是HE21 模式的偏振图案； [0011] 图2是径向和方位偏振态的线条图示，且示出了根据本发明的混合方位偏振态； [0012] 图3示出了产生并分析圆柱矢量光束的实验装置； [0013] 图4示出了旋转光纤的输出，以及使光纤输出通过设置于(a)0°、(b)45°和(c)90°的线性起偏器后所看到的强度； [0014] 图5示出了从旋转光纤输出的偏振态(a)，以及当该输出通过设置在(b)0°、(c)45°和(d)90°的线性起偏器后的强度和偏振态；以及 [0015] 图6示出了利用取向为0°或90°的四分之一波片将旋转光纤的输出转换成纯方位偏振光束。 [0016] 详细描述 [0017] 如G.Volpe、D.Petrov的“利用通过拉格朗日-高斯光束激活的少模光纤产生圆柱矢量光束(Opt.Commun.237(2004)89-95)以及其它论文中的描述，圆柱矢量光束可通过利用在阶梯折射率光纤内传输的模式和圆柱矢量光束的偏振特性之间的相似性来产生。少模光纤支持基模LP01(HE11)，以及次模LP11(TE01，TM01和HE21)。横电模式TE01、TM01分别表示方位和径向偏振电场，而混合电模式HE21具有混合结构。然而，对于LP01和LP11模式而言，光纤的横截面上的模式能量分布是不同的。对于LP01，能量集中在光纤轴周围的小范围内。相比之下，对于LP11，能量以甜甜圈的形状分布，例如，在光纤的输入端使用一阶拉格朗日-高斯LG10光束代替高斯光束。 [0018] 四个LP11模式即TE01、TM01、HE21偶数和HE21奇数的横向电场如下给出： [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] 其中，F(r)是径向函数，以及 和 是单位矢量。图1示出了这些不同模式的偏振图案。总的场偏振的状态沿着光纤不断变化，因为对于这些模式有三个传播常数，即，对于偶数和奇数HE21模式为βHE，对于TE01模式为βTE，以及对于TM01模式为βTM。 [0024] 如上所示，径向或方位偏振光束的偏振态的一般表达式给出如下： [0025] [0027] [0028] 且a＝1，b＝i。 [0029] 这就是我们在本文中描述为混合方位偏振态(HAPs)的一种新的偏振态，根据本发明，它具有我们描述为混合径向偏振态(HRPs)的正交状态。HAPs模式在 π/2、π、3π/2时具有与方位偏振相似的偏振，以及在 3π/4、5π/4以及7π/4时具有与圆偏振相似的偏振。 [0030] HRPs模式在 π/2、π、3π/2时具有与径向偏振相似的偏振，以及在3π/4、5π/4和7π/4时具有与圆偏振相似的偏振。HAPs和HRPs模式形成一个类，我们称之为HARP模式。 [0031] 混合方位偏振可被写作横电TE01与混合电(偶数)HE21模式的叠加。TE01与图1(a)和2(b)中所示的方位偏振的模式相同。相比之下，HE21模式本身是混合模式，如图1(d)所示。通过下式在给定相位差(i)处将TE01模式与HE21模式相组合： [0032] TE01+iHE21(偶数) [0033] 就产生了HAP状态。HE21模式前的因子“i”表示两个偏振态之间的π相位差，这是在最后偏振中造成圆偏振分量的原因。 [0034] 与HAP偏振正交的是混合径向偏振(HRP)模式。它是TM01和奇数HE21模式的叠加。 [0035] TM01+iHE21(奇数) [0036] HAPs和HRP模式的线性和角动量可用下面L.Allen、M.J.Padgett、M.Babiker的《光学进展》XXIX第291-372页(1999)(Progress in Optics XXIX，pp.291-372(1999))中的方法计算。我们详细考虑HAP模式，同时记住可有关HRP模式作出相同陈述。如上述等式[1]所示，偏振态ε是 的函数，但仍和单位矢量 和 一起示出。如果改写为r和 我们不会允许作为负责显示HAP状态的项的常数a和b。假设矢量势采用以下形式，[0037] [0038] 其中，u(r)＝u0 r exp[-r2]，φ＝arctan(y/x)是光束周围的方位角位置，且[0039] 根据Lorenz测量[10]计算的电场和磁场为： [0040] [0041] 以及 [0042] [0043] 使用这些场计算时间平均线性动量 [0044] [0045] [0046] 根据等式5，HAP状态的角动量密度被计算为， [0047] [0048] [0049] 利用倍角恒等式 将这与针对光的圆偏振光束计算出的角动量进行比较，我们看到曾经根据圆偏振光的旋向性取值为±1以及对于线性偏振光取值为0的被称为光子的旋转角动量的“σ”现在取 的空间变化值。该 依赖性表明，在局部，角动量从 时的0变为 时的 再变为 时的0且再变为 时 的 等等。在图1(c)中存在圆偏振的情况下，角动量为 通过在光束上积分计算总的角动量给出如下： [0050] Jz＝∫∫rdrdφjz＝0 [7] [0051] 在等式7中对jz的 从0到2π的积分结果是0。因此，当混合偏振的角动量密度中的空间变化非0时，总的角动量实际上也为0。这不同于纯径向或方位偏振光情形下的角动量，因为这些模式下的角动量密度是0，即jz径向＝0以及jz方位＝0。 [0052] 实验和数据 [0053] 为了使LP01空间模型的一个偏振模式耦合至另一模式，需要旋转速率充分地快于该光纤的拍长。该拍长与纤芯椭圆率逆相关。拍长也与略呈椭圆形的纤芯中两个线性偏振模式的传播常数或有效折射率之间的差别有关。 [0054] 现在LP11模式是HE21模式以及径向和方位偏振模式的叠加。这些模式都具有不同的传播常数；以爱斯维尔出版社1991年出版的Vassallo所著的《光波导概念》(Optical Waveguide Concepts，Elsevier，1991)为例，这些模式的传播常数或指数都稍有不同。使光纤旋转可以引起所有这些模式之间的耦合。 [0055] 图3示出了用于产生具有HAP状态的旋涡光束的实验装置。具有632.8nm波长的垂直(线性)偏振HE-NE(氦-氖)激光器30通过半波片32产生可被旋转成所需取向的线性偏振高斯光束。然后，该线性偏振高斯光束经由20倍显微物镜35(a)耦合到旋转光纤34，该物镜35(a)用于将光束聚焦到纤芯。从光纤的输出通过第二20倍显微物镜35(b)解耦，该物镜35(b)用于将输出模式扩大为光束。而后，该光束经过作为检偏器的线性起偏器 36以表征输出偏振态。强度分布被记录在黑白CCD相机38上。 [0056] 尽管垂直偏振He-Ne激光器30被描述为用于产生线性偏振高斯光束的源，但是本领域技术人员应该清楚可使用任何用于产生线性偏振高斯光束的源。然而，该源最好是一旦输入光纤，光就以LP11模式传播。在图3描述的实验中，椭圆纤芯34如它所制造时以每米20转的速率旋转。然而，使光纤34扭绞的速率可根据需要进行转换的光纤的椭圆率以及光纤的长度而不同。举例而言，圆柱光纤可理论上以较低速率旋转，但优选大于每米10转。然而，通过使用椭圆芯光纤，可在更高旋转速率下产生相同模式耦合效应。 [0057] 此外，本实验中使用的旋转光纤34的长度大约为10米。然而，光纤的长度可以从几厘米变化到任何需要的长度，只要光纤足够长以允许模式发生转换。对于给定的椭圆率，如果我们减少光纤的长度，那么我们需要加大旋转光纤的旋转速率。此外，图3的实验描述了截止波长为740nm的光纤。然而，为了产生LP11模式，所需要的是截止波长大于在光纤中传播的光的波长。因为所使用的激光器30的波长为632.8nm，截止波长为740nm的旋转光纤是可以接受的。然而，优选的是截止波长不是特别大以允许HE模式传播比HE31模式具有更高阶。根据图3描述的实验，旋转光纤34的纤芯Δ为1％且纤芯直径为几微米，以产生合适的截止波长。如刚才所述，可使用具有纤芯Δ和纤芯直径的多种组合的光纤，只要实现合适的截止波长即可。 [0058] 在图3所描述的实验中，旋转光纤的旋转芯略呈椭圆形。虽然可使用圆柱芯，但当椭圆旋转的取向旋转时，椭圆率可实现与或到不同偏振模式的耦合。优选的是旋转光纤的纤芯的椭圆率具有大于5％的离心率。本实验中使用的旋转光纤还具有稍微偏离光纤包层几何中心的纤芯中心。该偏离使得空间模式分布从对称高斯模式变为非对称拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式。优选地，纤芯中心偏离光纤的几何中心至少为芯直径的10％。 [0059] 图4示出了旋转光纤34在线性输入偏振通过线性起偏器36的情况下的典型输出。图像分别显示当检偏器偏振被设置为(a)0°、(b)45°以及(c)90°时来自旋转光纤34的准直输出的矢量状态。当检偏器设置到0°或90°时，强度模式类似一阶厄米-高斯(Hermite-Gaussian)模式，而当检偏器设置到45°时，强度分布类似一阶拉盖尔-高斯模式。该旋转光纤34有效地作为模式转换器，将零阶模式转换成一阶模式。入射偏振的取向不会破坏从旋转光纤34输出的HAP。 [0060] 为了计算LP11模式间光的转换所需的旋转速率，首先需要计算这些矢量模式即HE21、TM和TE模式的对LP11模式[4]的偏振校正。当旋转速率等于这些矢量模式中的两个之差时，光将迅速彻底地从这些矢量模式中的一个转变为另一个。 [0061] 表1光纤的旋转速率对输出强度和偏振的相关性 [0062]旋转速率 输出强度 输出偏振 0转/米 HG10或HG01 线性 10转/米 几乎旋涡 轻微叠加 20转/米 旋涡 总叠加(线性+方位)＝HAPs [0063] 表1示出了旋转速率对旋转光纤34的输出状态的相关性。一般而言，虽然本发明可覆盖圆柱形的旋转光纤波导器件，但优选使用纤芯中心稍微偏离器件几何中心的稍呈椭圆的波导。给定此配置，在光纤拉制过程期间旋转光纤使非对称性以旋转频率沿着光纤的长度旋转。因此，当光耦合到不旋转的具有相同截止波长和折射率的光纤时，即旋转速率为0转/米时，将看不到旋涡。相反，可以看到线性偏振的厄米-高斯模式。参照图5，非旋转光纤的输出具有与图5(b)或(d)相似的HG模式结构。根据耦合到光纤的对准，输出或者是HG10模式或是HG01模式。图5(b-d)示意性地示出通过设置为(b)0°、(c)45°和(d)90°的线性起偏器后的偏振态。 [0064] 然而，当光耦合到以10转/米旋转的光纤中时，输出开始显示出转换到具有光旋涡的圆柱矢量模式的迹象，并且看起来像旋涡和HG模式的混合，其中偏振不是特别线性且不完全是混合方位偏振。 [0065] 当光耦合到以20转/米旋转的光纤中时，如图5(a)中的线条示意图和4(a)中的起偏器输出示图所描述，显示完全转换到HE模式。如图所示，旋转光纤的输出是由线性和圆偏振态构成的矢量叠加状态的光旋涡。因此，显示HAP状态已被创建。 [0066] 图4和5所示并描述的圆柱矢量光束是混合方位偏振在光束分布每绕90°的实验观察结果。现参照图6，混合方位光束可通过插入以0°或90°定向的四分之一波片转换为纯方位偏振态。这将根据圆偏振的旋向性将圆偏振区域转换为以45°或135°取向的线性偏振态，且不影响线性偏振态。如图6所示，该光束可通过在光束路径中插入以45°取向的半波片而进一步转换成纯径向偏振模式。 [0067] 此外，实验发现在拉制过程期间的光纤旋转会使光耦合到混合方位偏振模式而不是直接耦合到方位偏振模式。这个结果因为混合是HE21模式和方位模式的结合，使其更像是占据两种模式而不是单独一个模式。 |
||||||
