新型波場光纖技術(shù)研究.pdf

1、從二十世紀(jì)70年代至今，光纖在通信、傳感等領(lǐng)域取得了巨大的成就。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們所面臨的問題也越來越復(fù)雜，而普通光纖已無法滿足實(shí)際需求，這樣特種光纖就應(yīng)運(yùn)而生，開展特種光纖的研究也逐漸成為人們科研的熱點(diǎn)。本文將從光波電場的變換角度出發(fā)提出三種特種新型波場光纖。這三種光纖的共同特點(diǎn)是通過對光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)與形狀進(jìn)行重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對輸入光場的調(diào)制，進(jìn)而生成對應(yīng)的特種光場。具體完成的工作如下：
　　1、開展艾里波場光纖的研究。主要提出

2、了在橫向上具有艾里函數(shù)分布的纖芯陣列的艾里波場光纖。艾里光纖包括單（或多）陣列芯艾里光纖和環(huán)形芯艾里光纖兩種。其中第一種的纖芯形狀為圓形，而第二種的纖芯則呈環(huán)形。這兩種光纖都具有立方相位板的功能，即通過陣列波導(dǎo)的光耦合來實(shí)現(xiàn)立方相位調(diào)制，從而把輸入的高斯光場轉(zhuǎn)化為艾里光場。本文分別利用耦合模理論和光束傳播法對光波在艾里光纖中的傳輸進(jìn)行了理論和數(shù)值仿真，結(jié)果表明：這類光纖生成的光束繼承了理想艾里光束的特性，即具有“無衍射”、“自由加速”和

3、“自愈合”能力。此外，在艾里光纖纖芯陣列中的光耦合對波長變化異常敏感，即使微小的波長變化（例如10nm）都會對艾里光纖的出射光場（特別是相位）產(chǎn)生極大的影響，從而造成出射光束在外界環(huán)境中的傳輸路徑發(fā)生改變。由于這種路徑的變化與波長是一一對應(yīng)關(guān)系，因此我們把這種現(xiàn)象稱為艾里光纖的“彩虹效應(yīng)”。該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光波長對艾里光纖輸出光場的調(diào)控。
　　2、開展了貝塞爾波場光纖的研究?；趦煞N生成貝塞爾光束的方法：一種是利用球面透鏡對環(huán)形光匯聚

4、形成；另一種是利用錐透鏡對高斯光聚焦生成，本文總結(jié)和提出了幾種基于特種光纖和光纖微透鏡的貝塞爾光束生成系統(tǒng)，我們把這種光纖系統(tǒng)稱為“貝塞爾波場光纖”。通過數(shù)值計(jì)算和軟件仿真發(fā)現(xiàn)，貝塞爾波場光纖可以把激光器出射的普通高斯光場轉(zhuǎn)化為貝塞爾出射光場。特別是具有圓臺纖端的環(huán)形芯光纖和同軸雙波導(dǎo)光纖（也稱為貝塞爾波場探針），它們輸出的強(qiáng)聚焦貝塞爾光場具有十分穩(wěn)定的三維微粒捕獲勢阱，由于橫向與縱向的捕獲力相差懸殊，因此在縱向上具有極高的力學(xué)傳感靈敏

5、度，可用于一維pN量級的力學(xué)傳感。此外，本文還利用同軸雙波導(dǎo)光纖圓臺纖端制成了“光學(xué)槍”。該裝置利用從環(huán)形纖芯出射的強(qiáng)聚焦貝塞爾光場實(shí)現(xiàn)對微粒的捕獲，接著利用中央纖芯出射的高斯光束提供的推進(jìn)力把微粒發(fā)射出去。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，對于處于溶液中的微粒，其發(fā)射最大速度可以達(dá)到將近1 cm/s/W，微粒發(fā)射的距離可以達(dá)到幾十微米甚至更遠(yuǎn)；而對于處于真空中的微粒，其發(fā)射最大速度高達(dá)10 cm/s/W以上，微粒的發(fā)射距離也可以達(dá)到幾百微米

6、以上。
　　3、開展渦旋波場光纖的研究。渦旋波場光纖根據(jù)纖芯形狀分為圓形纖芯和環(huán)形纖芯兩種，而根據(jù)纖芯的橫向折射率分布分為線性分布、馬鞍形分布和拋物面分布三種。通過光纖在縱向上的扭轉(zhuǎn)，纖芯折射率在整體上呈單螺旋或雙螺旋分布。利用耦合模微擾理論分析光波在渦旋光纖中的傳輸發(fā)現(xiàn)，圓形芯單螺旋渦旋光纖可在幾毫米（或幾十毫米）長度內(nèi)生成比較理想的拓?fù)浜蓴?shù)為1（或2）的相位渦旋模式。而圓形芯雙螺旋渦旋光纖則可以在幾百毫米的長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜蓴?shù)為

7、2的相位渦旋模式輸出。對于環(huán)形芯單螺旋渦旋光纖，由于模式色散嚴(yán)重，它只能在幾毫米長度內(nèi)才能生成比較理想拓?fù)浜蓴?shù)為1的相位渦旋光束；而環(huán)形芯雙螺旋渦旋光纖生成相位渦旋光束的長度則沒有限制，它可以在任意耦合拍長的開始或結(jié)束位置生成拓?fù)浜蓴?shù)為2的相位渦旋光束。
　　綜上所述，本論文開展的新型特種波場光纖研究擴(kuò)展了特種光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，把幾何光學(xué)器件的功能集成在一小段光纖中。由于光纖具有結(jié)構(gòu)微小、抗干擾能力強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，使得新型波場光