关键词:
轨道角动量
六模光纤
环芯光纤
手性长周期光纤光栅
偏振无关
摘要:
轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是光的一种准本征属性。携带OAM的光束表现出与方位角相位exp(ilφ)的相关性,其中φ表示方位角,l表示拓扑荷数。这种相位结构决定了OAM光束具有螺旋波前、中心相位奇点和圆环形强度分布等特点,且这些特点使得OAM光束在光纤通信、光学操控、光学成像和模式传感领域有着巨大的应用前景。而OAM光束的产生与调控,是实现OAM光束研究领域进一步发展的前提,也是该领域当前的研究重点。光纤型OAM产生器具有稳定性好、耦合效率高、成本低,灵活性好等优点,但当前光纤OAM产生的研究主要集中于±1阶,更高阶的OAM产生,尚处于初步研究阶段。本文利用CO激光螺旋刻写加工技术,在六模光纤和环芯光纤上制备了手性长周期光纤光栅(Chiral Long Period Fiber Grating,CLPFG),研究高阶OAM模式的产生及其偏振特性,主要工作如下:1、研究了基于CO激光的六模光纤CLPFG制备技术及±2和±3阶OAM模式耦合特性。通过光纤的平移和旋转,聚焦的CO激光在光纤上沿螺旋路径诱导折射率调制实现CLPFG的制备。该技术无需光纤熔融和扭转,具有更好的稳定性和重复性,且通过控制曝光时间与激光能量,可灵活地设计与实现不同的光栅折射率调制。本论文通过优化制备参数,在六模光纤上实现了长度仅为0.5cm的超短CLPFG,在谐振波长处模式转化效率高达99.3%.通过对CLPFG耦合模式的相位及偏振特性研究,在不同旋向和不同周期的CLPFG中直接实现了±2和±3阶OAM模式的产生。结合相位匹配条件和角动量守恒定律,从理论和实验上研究了基于CLPFG的高阶OAM模式偏振无关特性,验证了OAM模式的偏振态改变和螺旋相位调节之间独立性。2、研究了基于CO激光的环芯光纤CLPFG制备技术及±2和±3阶OAM模式耦合特性。利用CO激光螺旋刻写加工技术,在环芯光纤上实现了CLPFG的制备。通过对CLPFG中高阶耦合模式的强度、相位及偏振特性的研究,在CLPFG中直接实现了±1、±2和±3阶OAM模式的激发,验证了在环芯光纤中,CLPFG中产生的OAM模式偏振态与螺旋相位调节的独立性。在模式的强度分布上,相比于六模光纤,环形芯光纤中高阶OAM模式的环形强度分布更均匀,这在实际应用中,有利于提高粒子捕获成功率和超分辨成像质量、以及降低涡旋光传感的图像解调难度。本文通过对六模光纤CLPFG的研究,获得了超短的高阶OAM模式产生器,在实现±2和±3阶OAM模式的同时,为CLPFG与其他光子器件的集成提供了便利。为解决六模光纤中高阶OAM模式强度分布不均匀问题,研究了环芯光纤CLPFG模式耦合特性,获得了光强分布均匀的高阶OAM模式产生器。本文的研究成果将促进少模光纤CLPFG的制备技术和高阶OAM模式产生技术的发展,并进一步推动光纤微纳器件与OAM模式相互作用的探索及其在其他领域的应用研究。