[发明专利]具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种光纤，优选地应用于使用光纤的光束生成、微粒操控、传感应用等。

(二)背景技术

光波在传播过程中始终保持不变被认为是无衍射光束，无衍射波最典型的例子是贝塞尔光束。1979年，M.V.Berry等(Am.J.Phys.，1979，47(3)：246～267)在量子学的背景下，理论上推出薛定谔方程具有无衍射的Airy波包的解，该波包具有自由加速的特性。2007年Georgios A.Siviloglou等(Opt.lett.，2007，32(8)：979～981)首先研究了有限能量的加速Airy光束，并首次观察到Airy激光束的实验结果(Frontiers in Optics，OSA，2007.PDP_B3)，实验验证了Airy激光束具有不同寻常的特点，能保持长距离无衍射(Phys.Rev.Lett.，1987，58(15)：1499～1510和J.Opt.Soc.Am.A，1987，4(4)：651～654)传播，并具有自由加速的特性。

总之，Airy激光束具有以下非常诱人的3大特性：在传播过程中自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下弹丸运动的弹道；在传播过程中近似保持无衍射；在传播过程中具有自愈的特性(Opt.Commun.，1998，151(4-6)：207～211和Opt.Commun.，1998，151(4-6)：207～211)。Airy激光束具有的这些独特的特性，因此有着广泛的应用潜力。Pavel Polynkindeng等(Science，2009，324(5924)：229～232)使用二维Airy激光束的飞秒脉冲引发空气中非线性的等离子体细丝。J.Baumgartl等(Nature Photonics，2008，2(11)：675～678)利用Airy激光束照射在微米量级的交替颗粒样品室里，实现了在局部区间精确转移或清理光学颗粒。

微结构光纤制备大致分为类似的两个步骤：制备光纤预制棒和在光纤拉丝塔上将光纤预制棒拉成光纤。其中制备光纤预制棒的不同气相沉积工艺包括气相化学沉积工艺(MCVD)、轴向气相沉积(VAD)和外部气相沉积(OVD)等。利用这些工艺可以制作各种不同结构的微结构光纤，例如美国专利(Optical Fiber，United States Patent，Patent Number6，917，742B2，2005)就利用了这种工艺制作了一种具有光纤芯、包层同时还具有同轴波导层的微结构光纤，该光纤的同轴波导层具有不同的几何结构或为多个D型、或为多个特殊半圆形、或为多边形、或为多个空芯区域等多种特殊几何结构。中国专利(CN2010101333476.4)采用了MCVD工艺制备了一种具有环形波导层的同轴双波导结构光纤。该光纤不仅具有通常的光纤芯而且在光纤的外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构。

尽管Airy光束的研究和应用越来越广泛，但并未涉及利用微结构光纤端出射场生成Airy光束。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可在光纤端生成准Airy光束的同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤。

本发明的目的是这样实现的：

在实验中，有限能量Airy激光束可以采用高斯光束通过立方相位的调制，再经过傅里叶透镜实现。因此，当高斯光入射进入一段Airy光纤(波导芯的空间排布满足或近似满足于Airy函数)后，波导芯之间的光耦合可实现相位调制，通过调节Airy光纤的长度，可以使光纤端输出光场的强度和相位都满足或近似满足于Airy分布，这样，就在Airy光纤端得到Airy光束或者准Airy光束。

二维Airy激光束(如图1所示)在空间中传输如图2所示，从图中，可以看出Airy光束所具有的3大特性：(1)自由加速(或横向加速)，类似于重力作用下的弹丸运动的弹道；(2)在传输过程中近似保持无衍射；(3)自愈特性，当Airy激光束某一主极大衰减到极小值之后，马上会逐渐“自愈”形成一个极大值。同样，不管是具有同心圆环波导分布的Airy光纤(如图3、4和5)还是具有部分同心圆环波导分布的Airy光纤(如图6、7和8)的出射光场，它们都继承了Airy光束的部分特性，其无衍射特性得到了加强，但自愈特性和自由加速特性受到了抑制。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤出射端出射的光束继承或部分继承了Airy光束的三大特性，其无衍射传输距离可比拟于Airy光束，甚至优于Airy光束。