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CN104678488B - 一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤 - Google Patents

一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤 Download PDF

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Yibo Communication Equipment Group Co ltd
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Yanshan University
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Abstract

一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤，其由光纤包层和两个环状纤芯组成。其中，光纤包层内设有均匀的多层三角形阵列分布的空气孔，其背景材质为纯石英。由两组缺失6个空气孔且具有纤芯中心气孔的单元构成双环状纤芯，两个纤芯对称地分布在光纤中心空气孔两侧。利用这种光子晶体光纤，可以产生两个空心光束，使这两个空心光束通过一个三棱镜后会发生会聚，在会聚处会产生一个中心强度为零的三维光场，即局域空心光束。本发明能够稳定地产生高质量的局域空心光束，装置整体简单易于调整，且局域空心光束的尺寸可以通过改变光纤本身的结构参数(纤芯气孔直径d1和包层气孔直径d2)来控制。

Description

一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种光子晶体光纤，尤其是可以用于产生局域空心光束的光子晶体光纤。
背景技术
局域空心光束是指具有中心暗斑且该中心暗斑在三维空间被强光场完全包围的一类特殊光场,它就像一个特殊的“密闭容器”,因此也形象地将这种光场称为“瓶光束”或“光泡”。产生局域空心光束的方法主要有:1)采用径向分布的π相位板；2)基于高斯光束和拉盖尔高斯光束的干涉；3)采用特殊抽运光束和限制孔径的端面抽运固体激光器等。由于局域空心光束具有特殊光场分布,使它有很高的实用价值,目前已经在冷原子捕捉和光学微操纵等领域得到实际应用。
光子晶体光纤(PCF)，又被称为微结构光纤或多孔光纤，其结构设计灵活可调，这使得它具有许多传统光纤不具备的特性，如高双折射、超低限制损耗、色散可调等等。此种光纤的发明为产生局域空心光束提供了一种非常有效而简便的办法。
空心光束是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束。已有研究证明，可以利用光子晶体光纤产生高质量的单空心光束，对微粒(如分子、原子)进行捕获和操纵，但是这种空心光束所进行的捕获和操纵局限于二维，不能对微粒进行很好的三维限制。局域空心光束能够很好地对微粒进行三维限制，但目前产生局域空心光束的装置一般较为复杂，难于调整，不易于产生高质量的局域空心光束。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构稳定、易于调整、质量较高的用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤。
本发明主要是采用双芯光子晶体光纤并对其结构参数进行合理设计。
本发明的光子晶体光纤的主要结构是由两个环状纤芯和光纤包层组成的。其中，光纤包层内设有均匀的多层三角形阵列分布的空气孔，包层空气孔直径d2控制在2～2.7μm范围内，两孔间距Λ＝5μm，包层的背景材质为纯石英。由两组缺失6个空气孔且具有纤芯中心气孔的单元构成双环状纤芯，纤芯中心的气孔直径d1控制在1～4μm范围内，两个纤芯对称地分布在光纤中心空气孔两侧。利用这种光子晶体光纤，可以产生两个空心光束，使这两个空心光束通过一个三棱镜后会发生会聚，在会聚处会产生一个中心强度为零的三维光场，即局域空心光束。局域空心光束的尺寸与该光纤所产生的双空心光束尺寸有关。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、该光子晶体光纤结构稳定，能够高质量地产生双空心光束进而稳定地产生局域空心光束。
2、利用该光子晶体光纤产生局域空心光束的装置整体简单，易于调整。
3、可以通过改变光纤本身的结构参数(纤芯气孔直径d1和包层气孔直径d2)控制双空心光束的输出尺寸，进而控制所产生局域空心光束的尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例1的光子晶体光纤横截面图。
图2是本发明实施例1的光子晶体光纤在1.55μm处的模场分布图。
图3是利用本发明实施例1的光子晶体光纤产生局域空心光束的示意图。
图4是本发明实施例1的光子晶体光纤在1.55μm处的能流图。
图5是本发明实施例1、实施例2及实施例3的光子晶体光纤在1.55μm处的能流图。
图6是本发明实施例1、实施例2及实施例3的光子晶体光纤的限制损耗随波长变化关系图。
图7是本发明实施例1、实施例4及实施例5的光子晶体光纤在1.55μm处的能流图。
图8是本发明实施例1、实施例4及实施例5的光子晶体光纤的限制损耗随波长变化关系图。
具体实施方式
实施例1
在图1所示的本发明实施例1的光子晶体光纤横截面图中，该光纤主要是由两个环状纤芯1和包层2组成的。其中，光纤包层内设有均匀的多层三角形阵列分布的空气孔3，包层空气孔直径d2＝2.5μm，两孔间距Λ＝5μm，包层的背景材质为纯石英。由两组缺失6个空气孔且具有纤芯中心气孔的单元构成双环状纤芯，纤芯中心的气孔直径d1＝2.5μm，两个纤芯对称地分布在光纤中心空气孔两侧。
在图2所示的本发明实施例1的光纤在1.55μm处的模场分布图中，可以看出，光场主要集中于两个纤芯处呈环状分布，即该光子晶体光纤可以产生高质量的双空心光束。
如图3所示，利用本发明实施例1的光子晶体光纤4产生的两个高质量的空心光束5经过一个三棱镜6后会发生会聚，在会聚处会产生一个中心强度为零的三维光场，即局域空心光束。很显然，局域空心光束的尺寸与双空心光束的尺寸有直接关系。可以通过控制双空心光束的输出尺寸，进而控制所产生局域空心光束的尺寸。
在图4所示的本发明实施例1的光子晶体光纤在1.55μm处的能流图中，一些空心光束的参数被标示出。暗斑尺寸DSS指的是光束内侧径向强度分布的半高宽度(Full-widthhalf-maximum,FWHM)，光束宽度WDHB指的是光束外侧径向强度分布最大值的1/e2护处的全宽度，光束半径ro指的是从光束中心到最大径向强度位置之间的距离。
实施例2
本发明实施例2与实施例1基本相同，不同之处在纤芯气孔直径d1减小到1μm，其能流分布及限制损耗随波长变化关系分别如图5及图6中对应曲线所示。从图中可以看出，该光纤与实施例1光纤相比，获得了较小的暗斑尺寸和更低的限制损耗。在λ＝1.55μm处，其暗斑直径为4.3μm，限制损耗为1.86×10-2dB/m。
实施例3
本发明实施例3与实施例1基本相同，不同之处在纤芯气孔直径d1增大到4μm，其能流分布及限制损耗随波长变化关系分别如图5及图6中对应曲线所示。从图中可以看出，该光纤与实施例1光纤相比，获得了较大的暗斑尺寸和更高的限制损耗。在λ＝1.55μm处，其暗斑直径为6.4μm，限制损耗为7.16×10-2dB/m。
实施例4
本发明实施例4与实施例1基本相同，不同之处在包层气孔直径d2减小到2μm，其能流分布及限制损耗随波长变化关系分别如图7及图8中对应曲线所示。从图中可以看出，该光纤与实施例1光纤相比，获得了较大的暗斑尺寸和更高的限制损耗。在λ＝1.55μm处，其暗斑直径为5.4μm，限制损耗为1.01dB/m。
实施例5
本发明实施例5与实施例1基本相同，不同之处在包层气孔直径d2增大到2.7μm，其能流分布及限制损耗随波长变化关系分别如图7及图8中对应曲线所示。从图中可以看出，该光纤与实施例1光纤相比，获得了较小的暗斑尺寸和更低的限制损耗。在λ＝1.55μm处，其暗斑直径为5μm，限制损耗为5.45×10-3dB/m。

Claims (2)

1.一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤，其由两个环状纤芯和光纤包层组成的，光纤包层内设有均匀的多层三角形阵列分布的空气孔，其背景材质为纯石英，其特征在于：所述包层空气孔直径d2控制在2～2.7μm范围内，两孔间距Λ＝5μm，由两组缺失6个空气孔且具有纤芯中心气孔的单元构成双环状纤芯，纤芯中心的气孔直径d1控制在1～4μm范围内，两个纤芯对称地分布在光纤中心空气孔两侧。
2.权利要求1所述的用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤的产生局域空心光束的方法，其特征在于：利用权利要求1所述的光子晶体光纤，产生两个空心光束，使这两个空心光束通过一个三棱镜后会发生会聚，在会聚处会产生一个中心强度为零的三维光场，即局域空心光束,局域空心光束的尺寸能够通过改变光纤本身的结构参数即纤芯气孔直径d1和包层气孔直径d2来控制。
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