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《中国科学技术大学》 2016年
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光纤中涡旋光束的产生与调控研究

张晓强  
【摘要】:相位是光的重要特性之一,涡旋光束具有螺旋形波前结构、光强呈环形分布、确定的轨道角动量、存在着相位奇点等,其在光学信息传输、光学微操纵、显微成像、激光微加工等领域中得到广泛的应用。目前光纤中涡旋光束的产生方式和传输特性的研究是涡旋光束很重要的研究方向之一,通常采用热熔机械扭曲或应力等加工手征光纤、光子晶体光纤等来产生涡旋光束,但这些方法只能制作长周期螺旋光纤光栅,且它们的制作方法复杂、效率低下。本论文在前期工作的基础上,提出采用紫外光单面曝光技术,制得螺旋形光纤光栅的方案,此方案可以实现涡旋光束的产生以及它们轨道角动量的调控。除此之外我们也提出了利用光纤模式耦合器产生涡旋光束的方法,并设计了一种新型的三芯结构的光纤耦合器,系统分析了它的耦合特性。本轮文主要研究内容有下列几点:1.基于螺旋光纤光栅,高阶涡旋光束产生和调控的研究。利用单面刻写光纤光栅的技术,我们提出了刻写螺旋光纤光栅的方案。系统分析了螺旋光纤光栅的耦合特性,并研究了利用螺旋光纤光栅产生高阶涡旋光束,模拟了以下涡旋光束轨道角量子数的转换:0→±1,±1→0,0→±2,0→±3,其最大耦合效率达到97%。我们证明了通过增加光纤中的模式数,螺旋光纤光栅可以产生更高阶的涡旋光束。除此之外我们还研究了螺旋光纤光栅的耦合特性跟光纤的材料吸收因子、最大折射率调制深度和光纤光栅长度的关系。2.在螺旋光纤光栅刻写的基础上,我们提出了正交错位刻写光纤光栅的方案,这大大减小了螺旋光纤光栅刻写的难度,此方法可以直接利用目前的掩模板刻写技术。接着我们模拟了此正交错位刻写的光纤光栅可以产生±1阶的涡旋光束。并研究了此正交错位光纤光栅在非正交及错位有一定误差的情况下产生涡旋光的情况,发现也能够产生一定的涡旋光束。3.系统研究分析了目前常用的光纤耦合器的耦合特性,并设计了一种新型的三芯结构的光纤融耦合器,利用此耦合器可以产生涡旋光束。并以0→±1和0→±3涡旋光束的产生为例,设计了两种光纤耦合器,此耦合器除能够产生涡旋光束外,光场的偏振形式也能够得到控制。在理论分析的基础上,实验上搭建了两个双芯耦合器并联产生涡旋光的装置,并取得了一定的结果,实验结果跟理论模拟一致。本论文的主要创新点:1.研究了单面刻写光纤光栅过程中,光纤中模场的分布情况跟光纤刻写方向间的关系,系统分析了光纤横向折射率非对称光纤光栅的耦合特性跟光纤材料吸收因子、最大折射率调制量以及光纤光栅饱和长度间的关系。再次基础上提出了一种螺旋刻写光纤光栅的方案,并且模拟了利用螺旋光纤光栅能够产生高阶涡旋光束。2.在螺旋刻写光纤光栅的基础上,提出了正交错位刻写光纤光栅的方案,并模拟了涡旋数是1和-1的涡旋光束的产生。在此基础上分析了正交错位光纤光栅的耦合特性,并研究了正交错位光纤光栅在非正交及错位有一定偏差的情况下,也能够产生一定的涡旋光束,表面此正交错位光纤光栅具有较强的适用性。3.研究了少模光纤耦合器的耦合特性,设计了一种新型的三芯结构的光纤耦合器,利用此耦合器我们能够产生高阶涡旋光束,并分别模拟了0→±1和0→±3涡旋光束的产生,此耦合器能够产生除了圆偏振特性的涡旋光束外,也能够产生线偏振的涡旋光束,实现了自旋角动量和轨道角动量的同时输出。
【关键词】:涡旋光 轨道角动量 耦合模理论 光纤光栅 光纤耦合器
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN253
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-11
  • 第1章 绪论11-37
  • 1.1 涡旋光束的数学描述及光子的轨道角动量12-18
  • 1.1.1 涡旋光束的数学描述12-15
  • 1.1.2 涡旋光束中的光子轨道角动量15-18
  • 1.2 涡旋光束的应用18-22
  • 1.2.1 光通信18-19
  • 1.2.2 粒子捕获与操控19-21
  • 1.2.3 非线性效应21-22
  • 1.3 涡旋光束的产生方法22-29
  • 1.3.1 在自由空间中产生涡旋光22-25
  • 1.3.2 在光纤中产生涡旋光25-29
  • 1.4 涡旋光的检测方法——干涉法29-32
  • 1.5 本章小结32-33
  • 参考文献33-37
  • 第2章 光纤及螺旋光纤光栅的模式理论37-65
  • 2.1 光纤模式理论37-49
  • 2.1.1 波动方程39-41
  • 2.1.2 波动方程的解41-42
  • 2.1.3 光纤中的模式——矢量模42-43
  • 2.1.4 截止条件43-45
  • 2.1.5 弱导近似——光纤的LP模式45-47
  • 2.1.6 光纤中的涡旋光47-49
  • 2.2 光纤光栅及光纤光栅的制作方法简介49-57
  • 2.2.1 光纤光栅的制作方法50-53
  • 2.2.2 光纤光栅的耦合模理论分析53-57
  • 2.3 螺旋光纤光栅57-60
  • 2.4 本章小结60-62
  • 参考文献62-65
  • 第3章 基于螺旋光纤光栅对涡旋光产生和控制的研究65-95
  • 3.1 横向非对称折射率分布的数值模型65-74
  • 3.2 螺旋光纤光栅的耦合模理论74-80
  • 3.2.1 光纤光栅的模场选择特性75-77
  • 3.2.2 螺旋光纤光栅77-80
  • 3.3 基于螺旋布拉格光纤光栅的涡旋光激光器80-82
  • 3.4 利用螺旋布拉格光纤光栅产生高阶涡旋光的研究82-89
  • 3.5 模式的不稳定性89-91
  • 3.6 本章小结91-92
  • 参考文献92-95
  • 第4章 正交错位光纤光栅95-109
  • 4.1 双频光纤光栅95-97
  • 4.2 正交错位光纤光栅97-104
  • 4.2.1 正交错位光纤光栅的制作方法97-99
  • 4.2.2 正交错位光纤光栅理论分析99-101
  • 4.2.3 利用正交错位光纤光栅产生涡旋光101-104
  • 4.3 其它情况104-107
  • 4.4 本章小结107-108
  • 参考文献108-109
  • 第5章 光纤耦合器产生涡旋光束的研究109-125
  • 5.1 光纤耦合器制作方法简介109-110
  • 5.2 少模光纤耦合器耦合原理110-115
  • 5.3 利用三芯光纤耦合器产生涡旋光115-120
  • 5.4 利用光纤耦合器产生涡旋光束的实验装置120-121
  • 5.5 本章小结121-122
  • 参考文献122-125
  • 第6章 总结与展望125-127
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果127-128
  • 本论文得到的研究工作得到以下基金的资助128-129
  • 致谢129

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