一种全光纤圆艾里光产生器件

1.本发明属于光纤微结构器件技术领域。尤其涉及通过在光纤端面上设计并制备等离子体天线来产生圆艾里光。


背景技术：

2.圆艾里光束因其独特的自聚焦、自加速以及自愈性等特性在显微成像、微粒操控以及强光波包产生等诸多领域具有重要应用价值，引起了人们的广泛关注。针对圆艾里光的众多重要应用，圆艾里光的有效产生与灵活调控十分重要。通过空间光调制器生成圆艾里光是产生圆艾里光的传统方法，这种方法虽然灵活，但空间光调制器体积大，无法集成。近年来，利用超表面、表面等离子体天线等片上集成光子器件，人们提出了许多片上集成的圆艾里光束产生器。这些片上集成的圆艾里光束产生器虽然满足了人们对高度集成器件的不断追求，然而在某些具体应用场景中也有其固有不足。比如在利用圆艾里光进行微粒操控，尤其是操控生物组织溶液中的细胞、药物颗粒等微粒时，需将片上集成的圆艾里光束产生器置于组织溶液中，这对光路对准提出了极大的挑战，与此同时组织溶液对入射光的各种散射也会显著影响产生圆艾里光的品质，因此非常不利于实际应用。
3.光纤是区别于传统光学元器件和片上集成光学平台的另一种重要的光场调控平台。光纤器件一方面体积小，具备易于集成的特点，比如集成到微流芯片；另一方面，光纤将光场限制在纤芯中传输，因而光纤器件具备易于远程控制，抗干扰能力强的特点，尤其可插入厚样品和浑浊介质中从而能大大提高应用场景的适应性，此外还使得光纤器件可弯曲从而具备高的应用灵活性。由于上述光纤器件的独特优势，开发光纤圆艾里光产生器件可有效避免上述片上集成的圆艾里光束产生器在实际应用中面临的不足。因此开发全光纤圆艾里光产生器件很有意义。为此，论文[optics letters,41.4,(2016):824-827]通过设计环形阵列波导光纤来产生圆艾里光。然而，他们设计的环形阵列波导光纤是特种光纤，需单独批量拉制，成本高昂；此外，这种光纤一旦拉制完成便被固定在某一特定参数上，如要产生其他参数的圆艾里光，需从新设计并拉制新的环形阵列波导光纤。这一点非常不利于实际应用。
[0004]
此外，发明人李贺贺等人于2019年和发明人寿倩等人于2020年分别公开的一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法(中国专利:cn201911368077.3)和一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法(中国专利:cn202010091010.6)主要利用计算机全息技术和空间光调制器加载不同的相息图达到改变光束自聚焦点位置的目的；发明人魏冰研等人于2020年公开的一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统(中国专利:cn202010669528.3)主要利用偏振产生自聚焦与散焦圆艾里光束，并实现在空间上的分离；发明人朱智涵等人于2022年公开的一种复振幅调制产生圆艾里光束的光学几何相位元件设计方法及自聚焦透镜装置(中国专利:cn202211366505.0)利用几何相位元件实现艾里光束的自聚焦特性简化了光路。
[0005]
但在上述产生圆艾里光束的结构中，普遍存在光路体积大、无法集成的缺点,以寿
倩等人公开的一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置(中国专利:cn202010091010.6)而言，光路需要用到体积较大的透镜组及空间光调制器等器件。
[0006]
在以上背景之下，开发一种成本相对低廉，能够有效产生圆艾里光并且结构简单易于集成能够灵活设计的圆艾里光全光纤产生器件十分有意义，可以弥补现有圆艾里光产生方法在实际应用中的不足之处。


技术实现要素：

[0007]
本发明提供的一种全光纤圆艾里光产生器件。
[0008]
本发明提供的全光纤圆艾里光产生器件是这样实现的：
[0009]
所述全光纤圆艾里光产生器件由单模光纤1、多模光纤2、金属薄膜3、环形凹槽等离子天线阵列4组成。所述多模光纤2熔接在所述单模光纤1上，起对单模光纤1纤芯中的传输光场扩束的作用。所述金属薄膜3镀在所述多模光纤2的端面。所述环形凹槽等离子天线阵列4刻蚀在所述金属薄膜3上。经过多模光纤2扩束后的传输光场照射在环形凹槽等离子天线阵列4上激发等离子体波，该等离子体波随后再通过环形凹槽等离子天线阵列4辐射输出，形成光纤端输出光场。所述环形凹槽等离子天线阵列4的凹槽尺寸参数、凹槽数量以及排布方式依据光纤端输出光场为圆艾里光来设计，使得产生的光场为圆艾里光。通过设计不同参数的环形凹槽等离子天线阵列可以产生不同参数的圆艾里光。
[0010]
环形凹槽等离子天线阵列的具体设计原理通过图3说明如下。所述环形凹槽等离子天线阵列中圆环形狭缝的宽度w。环形凹槽等离子天线阵列中圆环形狭缝刻蚀深度为h，其他环形凹槽的刻蚀深度小于h，即只有圆环形狭缝处的金膜被刻穿，使得光纤中传输光场照射到环形凹槽等离子天线阵列时仅在圆环形狭缝处激发产生表面等离子体极化子(spp)。激发的spp按图3中箭头所指方向沿着金膜表面传输，在传输过程中被环形凹槽等离子天线阵列解耦到自由空间。令解耦到自由空间的光场的传输方向与z轴的夹角为θ，环形凹槽的数量为n，rn是第n个环形凹槽相对光纤中心位置处的距离，从内向外第n-1个环形凹槽和第n个环形凹槽的间距为bn＝r
n-r
n-1
，相邻环形凹槽解耦到自由空间的光场之间相位差遵循如下关系：
[0011]
k0bnsin θ＝k
sppbn
+2π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]
k0是自由空间波矢量2π/λ。是金膜表面spps的波矢量，εd和εg是空气和金膜的相对介电常数。它建立了衍射角相同时相邻环形凹槽解耦到自由空间的光场之间相位变化与相邻环形凹槽的间距之间的关系，由公式(1)可以看出当衍射角相同时相邻的环形凹槽解耦到自由空间的光场相位变化除了与环形凹槽之间的间距有关，还有2π的额外相位差。则第n个环形凹槽解耦到自由空间的光场相位演变可以推导为：
[0013]
φn(rn)＝φ0+k
spp
(r
n-r0)+2nπ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]
其中φ0是圆环形狭缝处的初始相位，r0是圆环形狭缝距光纤中心的距离，即我们得到了环形凹槽解耦到自由空间的光场相位与环形凹槽位置之间的关系。
[0015]
为了实现输出光场为圆艾里光，需设计实现在光纤端面，也就是z＝0平面内光场的表达式为有限能量圆艾里光束的光场表达式，即：
[0016][0017]
a是指数截断因子，x0决定了艾里光束的横向加速度和光束聚焦位置有关，圆艾里光束的相位分布与正弦项有关为：
[0018][0019]
让环形凹槽阵列解耦到自由空间的光场相位分布近似于圆艾里光相位分布，令初相位φ0＝0，则金膜表面上第n个环形凹槽的位置rn就可以通过解方程求得：
[0020][0021]
通过求解公式5，得出的环形凹槽阵列的位置进行设计，我们得到的环形凹槽阵列解耦到自由空间的光场相位分布具有圆艾里光的相位分布。同时，圆艾里光是有限能量的其振幅会随着向外径传播而逐渐减弱并满足(r)-1/4
的振幅分布，这恰好与在环形凹槽阵列传播中衰减的spp场强近似满足，从而使光纤端面输出光场具有圆艾里光场的相位及振幅分布，得到圆艾里光束。
[0022]
本发明中，光纤端面金属膜的厚度h≥100nm，环形凹槽等离子天线阵列中的环形凹槽的数量为n≥5，可以根据所需的光纤端面大小的特定要求进行调整。环形凹槽等离子天线阵列中环形狭缝的深度、宽度等参数会显著影响等离子体场的激发效率，针对特定的激发波长(这里以980nm为例)，通过优化这些参数可获得最大激发效率。以优化环形狭缝的参数为例，我们利用fdtd软件建立环形狭缝的仿真模型，通过不断优化环形狭缝的参数，最终得到当环形狭缝宽度w为130nm左右，环形狭缝深度h为200nm左右时，采用980nm波长的入射光具有最高的等离子体激发效率。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0024]
1、本发明提出的是一种全光纤圆艾里光产生器件，具有光纤光子器件的全部优点。
[0025]
2、本发明提出的一种全光纤圆艾里光产生器件使用普通商用单模光纤和多模光纤，无需单独拉制特种光纤，因此能够很好地控制成本。
[0026]
3、本发明提出的一种全光纤圆艾里光产生器件可以通过设计不同参数的环形凹槽等离子天线阵列来产生不同参数的圆艾里光，具有极高的设计灵活性，与此同时环形凹槽等离子天线阵列可以通过微纳加工技术批量制备，有利于满足多样化的实际应用。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1是本发明实施例提供的全光纤圆艾里光产生器件的结构示意图。
[0029]
图2是本发明实施例提供的980nm波长光束由单模光纤耦合到渐变折射率多模光纤时光纤内部xz平面光场强度分布仿真图。
[0030]
图3是本发明实施例提供的狭缝激发表面等离子体波(spps)的xz截面示意图。
[0031]
图4是本发明实施例提供的x0＝0.1um时，求解的环形凹槽中心位置与光纤中心轴的距离rn的示意图。
[0032]
图5是本发明实施例提供的全光纤圆艾里光产生器件输出圆艾里光的光强度分布的fdtd仿真结果，图5中(a)是xz平面光场强度分布图，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9分别为距离光纤端面3um、6um、9um、12um、15um、18um、21um、24um、27um处的xy平面内的光场强度分布图。
[0033]
图6是本发明实施例提供的全光纤圆艾里光产生器件在设计不同参数的环形凹槽等离子天线阵列时输出圆艾里光的光强度分布fdtd仿真结果。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
本发明提出的全光纤圆艾里光产生器件的示意图参见图1，包括单模光纤1、多模光纤2、金属薄膜3、环形凹槽等离子天线阵列4组成。在本实施例中单模光纤选取商用980nm单模光纤，多模光纤选取渐变折射率光纤，金属薄膜选取厚度为200nm的金膜。980nm波长光束由单模光纤耦合到渐变折射率多模光纤时光纤内部xz平面光场强度分布仿真结果如图2所示，可以看出在单模光纤上熔接250um长渐变折射率光纤可使光束扩束到最大。环形凹槽等离子天线阵列的作用是经被多模光纤扩束后的光场照射时激发表面等离子体波(spps)，随后spp再被环形凹槽等离子天线阵列解耦到自由空间，产生输出光场，如图3所示。通过严格设计环形凹槽等离子天线阵列结构，可以使输出光场为圆艾里光。在本实施例中，
[0036]
在本实施例中，选取λ＝980nm波长的圆偏振光，250um长多模光纤，在200nm厚的金膜上刻蚀半径为r0＝3.5um，深度为200nm，宽度为130nm的环形狭缝和八个深度为75nm，宽度为260nm与圆环形狭缝同心的圆环形凹槽，根据公式(5)计算出各个环形凹槽的位置，得到环形凹槽到圆环形狭缝的间距分别为4.268um、5.08um、5.87um、6.64um、7.38um、8.11um、8.83um、9.53um的结构，如图4所示为得到的环形凹槽中心位置与光纤中心轴的距离rn的示意图，在端面上方xz平面光场强度分布图，得到的结果如图5所示(a)为xz平面光场强度分布图，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9分别为光纤端面上方3um、6um、9um、12um、15um、18um、21um、24um、27um处xy平面光场强度分布图。通过改变x0的值，可使圆艾里光束聚焦在不同的位置，如图6所示，图6中(a)为x0＝1um时得到的xz平面光强度分布图，(b)为x0＝1.25um时得到的xz平面光强度分布图。
[0037]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种全光纤圆艾里光产生器件，其特征单模光纤(1)、多模光纤(2)、金属薄膜(3)、环形凹槽等离子天线阵列(4)组成在显微成像、微粒操控以及强光波包产生等诸多领域具有重要应用价值。所述多模光纤(2)熔接在所述单模光纤(1)上，起对单模光纤(1)纤芯中的传输光场扩束的作用；所述金属薄膜(3)镀在所述多模光纤(2)的端面；所述环形凹槽等离子天线阵列(4)刻蚀在所述金属薄膜(3)上；经过多模光纤(2)扩束的传输光场照射在环形凹槽等离子天线阵列(4)上能够激发等离子体波，该等离子体波随后再通过环形凹槽等离子天线阵列(4)辐射输出，形成光纤端输出光场；所述环形凹槽等离子天线阵列(4)的凹槽尺寸参数、凹槽数量以及排布方式依据光纤端输出光场为圆艾里光来设计，使得产生的光场为圆艾里光。2.根据权利要求1所述的一种全光纤圆艾里光产生器件，其特征是：所述环形凹槽等离子天线阵列(4)中同心圆环形凹槽的间隔是根据所需的无衍射圆艾里光束的纤端相位分布设计的，所述同心圆环形凹槽的宽度和深度是根据所需的无衍射圆艾里光束的纤端振幅分布设计的。3.根据权利要求1所述的一种全光纤圆艾里光产生器件，其特征是：所述环形凹槽等离子天线阵列(4)中同心圆环形凹槽的数量为n，n≥5可以根据所需的光纤端面大小的特定要求进行调整。4.根据权利要求1所述的一种全光纤圆艾里光产生器件，其特征是：所述金属薄膜(3)可为金和银或能够激发表面等离子体波的材料，其厚度为h，h≥100纳米。

技术总结
本发明提供的是一种全光纤圆艾里光产生器件。其特征是：它由单模光纤(1)、多模光纤(2)、金属薄膜(3)、环形凹槽等离子天线阵列(4)组成。所述多模光纤(2)熔接在所述单模光纤(1)上，起对单模光纤纤芯中的传输光场扩束的作用。所述金属薄膜(3)镀在所述多模光纤(2)的端面。所述环形凹槽等离子天线阵列(4)刻蚀在所述金属薄膜(3)上。经过多模光纤(2)扩束的传输光场照射在环形凹槽等离子天线阵列(4)上能够激发等离子体波，该等离子体波随后再通过环形凹槽等离子天线阵列(4)辐射输出，形成光纤端输出光场。所述环形凹槽等离子天线阵列(4)的凹槽尺寸参数、凹槽数量以及排布方式依据光纤端输出光场为圆艾里光来设计。本发明属于光纤微结构器件技术领域。微结构器件技术领域。微结构器件技术领域。


技术研发人员：刘厚权 徐建康 苑立波
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/22