基于少模光纖的軸對稱偏振光束的產(chǎn)生

楊凱歌+耿滔

摘要： 首先介紹了軸對稱偏振光束的基本概念以及特性，然后以少模光纖為模式轉(zhuǎn)換器，通過旋轉(zhuǎn)偏振控制器上光纖擠壓器的旋鈕對光纖中間部分施加壓力，同時(shí)配合旋轉(zhuǎn)光纖擠壓器，以實(shí)驗(yàn)的方式獲得了不同模式的軸對稱偏振光束。通過調(diào)節(jié)偏振控制器以及輸入光束和光纖的離軸狀態(tài)，分別得到了徑向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇數(shù)混合偏振HEodd21模式，偶數(shù)混合偏振HEeven21模式，以及線偏振HE11模式五種光纖所激發(fā)的模式。同時(shí)，還通過干涉實(shí)驗(yàn)中叉形光柵結(jié)構(gòu)證明了相位奇點(diǎn)的存在。 關(guān)鍵詞： 軸對稱偏振光束； 少模光纖； 偏振控制器； 相位奇點(diǎn)

中圖分類號： O 436.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.007

Formation of axially symmetric polarized beams using few-mode fiber

YANG Kaige1， GENG Tao2

（1.Shanghai Key Lab of Modern Optical System， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；

2.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

This paper first introduces the basic concept and features of axially symmetric polarized beams.A few-mode fiber is used as the mode converter.Pressure is added to the middle part of the fiber by spinning the knob of fiber squeezer of polarization controller.By coupling with rotating fiber squeezer，different mode of axially symmetric polarized beams was obtained in the experiment.By adjusting the polarization controller and the off-axis conditions of the input beam and fiber，the radially polarized TM01 mode，azimuthally polarized TE01 mode，odd hybrid polarized HEodd21mode，even hybrid polarized HEeven21 mode，and linearly polarized two-lobe mode were separately excited at five different accommodative status.We also checked the existence of phase singularity through the fork grating structure in the interfere experiment simultaneously.

Keywords： axially symmetric polarized beams； few-mode fiber； polarization controller； phase singularity

引 言

軸對稱偏振光束[1]，不同于常規(guī)的均勻偏振光，其偏振態(tài)在光束橫截面內(nèi)呈對稱分布，且光斑中心具有螺旋狀的波前相位結(jié)構(gòu)，被稱為相位奇點(diǎn)，使得中心處的光強(qiáng)為零，形成類似于“甜甜圈”的光強(qiáng)分布。因其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，此類光束在經(jīng)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后，其焦點(diǎn)處光場會(huì)在光束軸向形成一個(gè)很強(qiáng)的電場分量[2]，且焦點(diǎn)處光斑直徑比空間偏振態(tài)均勻分布的光束（如線偏振光）的光斑直徑要小[3]。近年來，軸對稱偏振光束獨(dú)特性質(zhì)引起了研究者廣泛的興趣，也在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如捕捉和操縱金屬粒子[4]、材料加工[5]、超分辨顯微成像[6]、提高存儲(chǔ)密度[7]等方面。

目前，實(shí)驗(yàn)上獲得軸對稱偏振光束的方法雖然很繁多，但通?？煞譃橹鲃?dòng)方式和被動(dòng)方式兩類。前者主要將一些偏振選擇性的光學(xué)元件，如雙錐型棱鏡[8]、光子晶體光柵[9]、雙折射晶體[10]放入激光諧振腔內(nèi)，使激光束以特定的模式振蕩輸出；后者則將高斯光通過一些偏振或相位轉(zhuǎn)化器件直接獲得目標(biāo)光束，其轉(zhuǎn)化器件包括組合半波片[11]、少模光纖[12]、空間相位調(diào)制器[13]以及亞波長光柵[14]。其中，將激光耦合進(jìn)光導(dǎo)纖維獲得軸對稱偏振光束的方式，因其操作簡單，穩(wěn)定性高以及成本低等特點(diǎn)吸引了越來越多科研人員的關(guān)注。在該方案中，通常選用少模光纖作為耦合介質(zhì)，在其工作波長上光纖中可以傳輸少數(shù)橫模，文中涉及的少模光纖包含線偏型的基模（HE11）和兩階模的四種簡并模式（徑向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇數(shù)混合偏振HEodd21模式，偶數(shù)混合偏振HEeven21模式），對應(yīng)的歸一化頻率范圍為2.405

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分如圖1所示。光源為線偏型的氦氖激光器，在其后放置一個(gè)偏振分束器（PBS）將入射光分成偏振態(tài)相互垂直的兩束光，從偏振分束器透射的光束被一個(gè)數(shù)值孔徑NA=0.25的顯微透鏡L1聚焦后耦合進(jìn)一根長80 cm的光纖（康寧HI1060），其歸一化頻率在所選用激光器的632 nm波段下為3.496，因?yàn)樯倌９饫w（FMF）僅支持基模和二階模的傳輸。光纖前端被固定在一個(gè)三維調(diào)節(jié)平臺上，可以精確調(diào)節(jié)入射光和光纖之間的俯仰角以及光纖前端點(diǎn)到顯微透鏡L1的距離。光纖在通過一個(gè)偏振控制器（索雷博 PLC900）后，出射光束被一個(gè)數(shù)值孔徑NA=0.4的顯微透鏡L2準(zhǔn)直后穿過非偏振型分束器（NPBS），然后被大恒光電公司生產(chǎn)的DHHV2002UC型CCD傳感器（分辨率為1 600×1 200）采集后將圖像傳入電腦。為了檢測光纖后端輸出光束的偏振態(tài)，在L2和NPBS之間放入了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振片。為了檢測輸出光束中心是否存在相位奇點(diǎn)，將由PBS反射的光束分別經(jīng)過反射鏡M1、M2，然后被NPBS反射后和輸出光束形成干涉。

2 結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先讓入射的高斯光束以最佳的角度耦合進(jìn)入光纖，然后調(diào)節(jié)入射光和光纖之間的俯仰角以及兩者的距離，旋轉(zhuǎn)偏振控制器上光纖擠壓器的旋鈕給光纖中間部分施加壓力，同時(shí)配合旋轉(zhuǎn)光纖擠壓器，在一個(gè)特定的狀態(tài)下會(huì)激發(fā)一種特定的光纖模式。

圖2第一列所示的五幅圖表示的是，在輸入光源為線偏激光時(shí)，在五個(gè)特定的調(diào)節(jié)狀態(tài)下所激發(fā)的五種不同的光纖模式的強(qiáng)度分布圖。第二列到第五列表示的是與之相對應(yīng)的光纖模式在經(jīng)過檢偏器后的強(qiáng)度分布，其中白色箭頭的方向?yàn)闄z偏器的偏振軸方向。圖2（a2）～（a5）是經(jīng)過檢偏器的強(qiáng)度分布圖，這些兩葉狀圖案中間的空行方向都和相應(yīng)的檢偏器的偏振軸向相互垂直，這表明其所激發(fā)的光纖模式為徑向偏振TM01。圖2（b2）～（b5）的兩葉狀圖案中間的空行方向都和相應(yīng)的檢偏器的偏振軸向相互平行，表明其所激發(fā)的光纖模式為角向偏振TE01。從圖2（c2）～（c5）和圖2（d2）～（d5）中發(fā)現(xiàn)，隨著檢偏器的偏振軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，與之相應(yīng)的兩葉狀圖案卻在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這與混合偏振態(tài)的特征一致。圖2（c1）～（c6）中發(fā)現(xiàn)，在橫向和縱向有徑向偏振態(tài)的特征，而斜向有角向偏振態(tài)的特征，表明其為奇數(shù)混合偏振HEodd21；圖2（d1）～（d6）中的特征分布剛好與之相反，橫向和縱向有角向偏振態(tài)的特征，而斜向有徑向偏振態(tài)的特征，表明其為偶數(shù)混合偏振HEeven21。圖2（e1）～（e6）發(fā)現(xiàn)，隨著檢偏器的偏振軸做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其兩葉狀圖案表現(xiàn)出明暗變化，并且其偏振方向平行于圖案中間的空行方向，表明其為線偏型的基模HE11。

圖2第六列表示對應(yīng)激發(fā)模式的偏振態(tài)分布。我們發(fā)現(xiàn)，在光纖輸入端為線偏型高斯光時(shí)，通過調(diào)節(jié)輸入端的離軸狀態(tài)以及對光纖中部施加應(yīng)力以及旋轉(zhuǎn)扭曲可以獲得的光纖模式有徑向偏振TM01模式， 角向偏振TE01模式，奇數(shù)混合偏振HEodd21模式，偶數(shù)混合偏振HEeven21模式和線偏型基模HE11。

為了驗(yàn)證激發(fā)的光纖模式中是否存在相位奇點(diǎn)，光纖末端的輸出光束直接與輸入的線偏光束干涉。

圖3（a1）～（a5）五幅圖依次為圖2中第一列（a1）～（e1）少模光纖中所激發(fā)的五種模式，圖3（b1）～（b5）為各自與輸入線偏光束的干涉圖樣。其中，圖3（b1）～（b4）四幅干涉圖中央存在的叉形光柵的結(jié)構(gòu)意味著在這些輸出模式中存在相位奇點(diǎn)[15]，圖3（b5）線偏型基模中則沒有類似的叉形結(jié)構(gòu)。

3 總 結(jié)

利用少模光纖作為模式轉(zhuǎn)換器，通過擠壓和旋轉(zhuǎn)光纖的方式可獲得含有相位奇點(diǎn)的矢量偏振光束。實(shí)驗(yàn)表明，將線偏激光束耦合到少模光纖中為光纖模式的選擇性激發(fā)提供了一個(gè)理想的平臺。最后，干涉實(shí)驗(yàn)也說明了那些空間偏振態(tài)分布不均一的激發(fā)模式中總伴有相位奇點(diǎn)的存在。

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