本文關鍵詞：光纖中渦旋光束的產(chǎn)生與調(diào)控研究　出處：《中國科學技術大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：相位是光的重要特性之一,渦旋光束具有螺旋形波前結(jié)構(gòu)、光強呈環(huán)形分布、確定的軌道角動量、存在著相位奇點等,其在光學信息傳輸、光學微操縱、顯微成像、激光微加工等領域中得到廣泛的應用。目前光纖中渦旋光束的產(chǎn)生方式和傳輸特性的研究是渦旋光束很重要的研究方向之一,通常采用熱熔機械扭曲或應力等加工手征光纖、光子晶體光纖等來產(chǎn)生渦旋光束,但這些方法只能制作長周期螺旋光纖光柵,且它們的制作方法復雜、效率低下。本論文在前期工作的基礎上,提出采用紫外光單面曝光技術,制得螺旋形光纖光柵的方案,此方案可以實現(xiàn)渦旋光束的產(chǎn)生以及它們軌道角動量的調(diào)控。除此之外我們也提出了利用光纖模式耦合器產(chǎn)生渦旋光束的方法，并設計了一種新型的三芯結(jié)構(gòu)的光纖耦合器,系統(tǒng)分析了它的耦合特性。本輪文主要研究內(nèi)容有下列幾點：1.基于螺旋光纖光柵,高階渦旋光束產(chǎn)生和調(diào)控的研究。利用單面刻寫光纖光柵的技術,我們提出了刻寫螺旋光纖光柵的方案。系統(tǒng)分析了螺旋光纖光柵的耦合特性,并研究了利用螺旋光纖光柵產(chǎn)生高階渦旋光束,模擬了以下渦旋光束軌道角量子數(shù)的轉(zhuǎn)換：0→±1,±1→0，，0→±2,0→±3,其最大耦合效率達到97%。我們證明了通過增加光纖中的模式數(shù),螺旋光纖光柵可以產(chǎn)生更高階的渦旋光束。除此之外我們還研究了螺旋光纖光柵的耦合特性跟光纖的材料吸收因子、最大折射率調(diào)制深度和光纖光柵長度的關系。2.在螺旋光纖光柵刻寫的基礎上,我們提出了正交錯位刻寫光纖光柵的方案,這大大減小了螺旋光纖光柵刻寫的難度,此方法可以直接利用目前的掩模板刻寫技術。接著我們模擬了此正交錯位刻寫的光纖光柵可以產(chǎn)生±1階的渦旋光束。并研究了此正交錯位光纖光柵在非正交及錯位有一定誤差的情況下產(chǎn)生渦旋光的情況,發(fā)現(xiàn)也能夠產(chǎn)生一定的渦旋光束。3.系統(tǒng)研究分析了目前常用的光纖耦合器的耦合特性,并設計了一種新型的三芯結(jié)構(gòu)的光纖融耦合器,利用此耦合器可以產(chǎn)生渦旋光束。并以0→±1和0→±3渦旋光束的產(chǎn)生為例,設計了兩種光纖耦合器,此耦合器除能夠產(chǎn)生渦旋光束外,光場的偏振形式也能夠得到控制。在理論分析的基礎上,實驗上搭建了兩個雙芯耦合器并聯(lián)產(chǎn)生渦旋光的裝置,并取得了一定的結(jié)果,實驗結(jié)果跟理論模擬一致。本論文的主要創(chuàng)新點：1.研究了單面刻寫光纖光柵過程中,光纖中模場的分布情況跟光纖刻寫方向間的關系,系統(tǒng)分析了光纖橫向折射率非對稱光纖光柵的耦合特性跟光纖材料吸收因子、最大折射率調(diào)制量以及光纖光柵飽和長度間的關系。再次基礎上提出了一種螺旋刻寫光纖光柵的方案,并且模擬了利用螺旋光纖光柵能夠產(chǎn)生高階渦旋光束。2.在螺旋刻寫光纖光柵的基礎上,提出了正交錯位刻寫光纖光柵的方案,并模擬了渦旋數(shù)是1和-1的渦旋光束的產(chǎn)生。在此基礎上分析了正交錯位光纖光柵的耦合特性,并研究了正交錯位光纖光柵在非正交及錯位有一定偏差的情況下,也能夠產(chǎn)生一定的渦旋光束,表面此正交錯位光纖光柵具有較強的適用性。3.研究了少模光纖耦合器的耦合特性,設計了一種新型的三芯結(jié)構(gòu)的光纖耦合器,利用此耦合器我們能夠產(chǎn)生高階渦旋光束,并分別模擬了0→±1和0→±3渦旋光束的產(chǎn)生,此耦合器能夠產(chǎn)生除了圓偏振特性的渦旋光束外,也能夠產(chǎn)生線偏振的渦旋光束,實現(xiàn)了自旋角動量和軌道角動量的同時輸出。
[Abstract]:The phase is one of the important characteristics of light, vortex beams with spiral wave front structure, intensity of circular distribution, determine the orbital angular momentum, there exist phase singularities, the optical information transmission, optical micromanipulation, micro imaging, has been widely used in the field of laser micro processing. The current research method and transmission characteristics the vortex beam in the optical fiber is one of the very important research direction of the vortex beam, usually by mechanical stress or distorted melt processing chiral optical fiber, photonic crystal fiber to generate vortex beam, but these methods can only be made of long period fiber grating spiral, and their complex production methods, based on the low efficiency. On the previous work, the single UV exposure technology, prepared spiral fiber grating scheme, this scheme can realize the vortex beam produced and their orbital angular momentum In addition to this regulation. We also propose a method for generating vortex beam by using optical fiber coupler mode, and designed a fiber coupler three core structure model, system analysis the coupling characteristics of it. The content of this paper mainly studies the following points: 1. based on the spiral fiber grating, high-order vortex beam generation and control. Using a single fiber Bragg grating inscription technology, we put forward the scheme of fiber grating writing spiral system. Analyze the coupling characteristics of spiral fiber grating, and studied using spiral fiber grating high-order vortex beam, simulated the transformation of vortex beam orbital angular quantum number: 0 to + 1. + 1 - 0,0 - 2,0 + to + 3, the maximum coupling efficiency reached 97%. we show that by increasing the number of modes in optical fiber, optical fiber grating spiral vortex beam can produce higher order. We also research in addition The spiral fiber grating coupling with fiber material absorption factor, the maximum refractive index modulation depth and length of fiber grating based on the relationship between.2. spiral fiber grating inscribed, we propose orthogonal dislocation fiber Bragg grating inscription scheme, which greatly reduces the difficulty of helical fiber grating writing, this method can be directly used at present the mask writing technology. Then we simulate the optical fiber grating. The orthogonal dislocation can produce + 1 order vortex beams. And makes a research on the orthogonal vortex dislocation fiber grating has a certain error in non orthogonal and dislocation of the situation, that can also produce of vortex beam.3. system analysis of certain the current commonly used optical fiber coupler coupling characteristics, and designed a fiber coupler into three core structure model, using this coupler can generate vortex Beam. And in 0, 0, + 1 and + 3 vortex beam as an example, the design of two kinds of fiber coupler, the coupler can the generation of vortex beam, the polarization form of light field can be controlled too. On the basis of theoretical analysis, experimental device was built two dual core and coupler and students vortex, and achieved certain results, the experimental results with theoretical simulation. The main innovations of this dissertation: 1. research on the single fiber Bragg grating inscription process, the relationship between the fiber mode field distribution and optical fiber curves between the direction of the optical fiber system, analysis of the transverse refractive index of asymmetric optical fiber grating the coupling characteristics of fiber materials with absorption factor, the maximum amount of fiber grating refractive index modulation and the saturation length between the relationship. Based on a spiral fiber Bragg grating inscription, and simulated by using the spiral fiber grating can Have a high order vortex beam based on spiral.2. fiber Bragg grating inscription, proposed orthogonal dislocation fiber Bragg grating inscription scheme, and the simulation of vortex vortex beam number is 1 and -1 is produced. Based on the analysis of coupling properties of orthogonal dislocation fiber grating, and studied the orthogonal grating has certain deviation dislocation in the case of non orthogonal and dislocation, also can produce a vortex beam, the coupling characteristics of the surface of the fiber grating with.3. orthogonal displacement applied on the few mode optical fiber coupler, optical fiber coupler design a three core structure model, using this coupler we can generate high order vortex beam, and simulate 0 to + 1 and 0 + 3, the vortex beam, this coupler can produce circular polarization characteristics except vortex beam, the vortex beam can generate linear polarization, realizes the self The simultaneous output of angular momentum and orbital angular momentum.

【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN253

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本文編號：1396479