一種自加速類貝塞爾光束的產(chǎn)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自加速光束領(lǐng)域，尤其涉及一種自加速類貝塞爾光束的產(chǎn)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 貝塞爾光束是自由空間標(biāo)量波動(dòng)方程沿z軸傳播的一組特殊解。
[0003] 1987 年 Durnin(Physical Review Letters，1499-1501，1987)首次提出了貝塞爾 光束的數(shù)學(xué)模型，證明亥姆霍茨方程的Whitaker解存在貝塞爾形式的特解，并與傳輸方向 無(wú)關(guān)?？蒲泄ぷ髡呖梢詮膶?shí)驗(yàn)上得到具有有限能量的貝塞爾光束，即類貝塞爾光束，該光束 在一定傳輸距離內(nèi)具有無(wú)衍射特性和自我修復(fù)特性。在這以后，研宄者們發(fā)現(xiàn)另一種波動(dòng) 方程在橢圓柱坐標(biāo)中的解--馬丟光束（Mathieu beams)也具有無(wú)衍射性。
[0004] 早在 1979 年，Berry 和 Balazs (American Journal of Physics，264-267,1979)在 量子力學(xué)領(lǐng)域做了一個(gè)重要的預(yù)言：薛定諤方程具有一個(gè)遵循艾里函數(shù)的波包解。理論研 宄發(fā)現(xiàn)，艾里波包是一維薛定諤方程唯一的無(wú)衍射解。然而，這一工作因其理論與現(xiàn)實(shí)的差 異沒(méi)有引起人們的關(guān)注。
[0005] 直到 2007 年，中弗羅里達(dá)大學(xué)的 Georgios Siviloglou (Optics Letters， 979-981,2007)等人重新對(duì)Berry的工作進(jìn)行了研宄，第一次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了攜帶有限能 量艾里光束的產(chǎn)生。相比貝塞爾光束和馬丟光束，艾里光束除了具有無(wú)衍射性和自愈性外， 還具有自彎曲傳輸?shù)钠娈愄匦浴?br>[0006] 艾里光束的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)建自橫向加速光束開辟了道路，極大地激發(fā)了研宄者們探宄 新型自加速光束的興趣。參照研宄艾里光束的思路，一些學(xué)者在麥克斯韋方程或者不含 時(shí)間的亥姆霍茲方程中發(fā)現(xiàn)了新型自加速解。比如：Segev(Physical review letters， Vol. 16, 2012)等發(fā)現(xiàn)了非傍軸情況下沿圓形軌道大角度加速的無(wú)衍射光束；張鵬 (Physical review letters，Vol. 19,2012)等發(fā)現(xiàn)非傍軸的Mathieu和Weber光束沿圓形、 橢圓及拋物軌道大角度加速；此外，Christodoulides (Physical review letters，Vol. 20， 2012)等發(fā)現(xiàn)了可以沿橢圓和球面軌道傳輸?shù)暮ツ坊羝澒馐?。最近，螺旋類貝塞爾光束和?形類貝塞爾光束也在空間光路中得以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便的，自加速類貝塞爾光束的產(chǎn)生裝 置。
[0008] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 一種自加速類貝塞爾光束的產(chǎn)生裝置，包括光源、接收光纖、場(chǎng)型變換光纖和相位 調(diào)制光纖，光源發(fā)出的光通過(guò)接收光纖進(jìn)行接收，場(chǎng)型變換光纖將接收光纖傳輸?shù)墓鈭?chǎng)轉(zhuǎn) 換為高階類貝塞爾光束，相位調(diào)制光纖對(duì)高階類貝塞爾光束進(jìn)行相位調(diào)整，得到自加速類 貝塞爾光束。
[0010] 本發(fā)明一種自加速類貝塞爾光束的產(chǎn)生裝置，還可以包括：
[0011] 1、接收光纖為雙芯光纖、多芯光纖或者環(huán)形芯光纖中的一種。
[0012] 2、場(chǎng)型變換光纖為大芯徑階躍折射率分布的多模光纖或者是中空毛細(xì)管光纖。
[0013] 3、纖維調(diào)制光纖為梯度折射率光纖。
[0014] 4、接收光纖為環(huán)形芯光纖，所述的場(chǎng)型變換光纖為中空毛細(xì)管光纖，則中空毛細(xì) 管光纖輸出的高階類貝塞爾光束為：
[0016] 其中是貝塞爾函數(shù)，L是毛細(xì)管光纖段的長(zhǎng)度，N是在毛細(xì)管光纖段的激 發(fā)模式的數(shù)量，kz，fn為橫向波矢，r是徑向坐標(biāo)，0 模的傳播常數(shù)，C n是解系數(shù)：
[0018] 其中Ein(r，0 )為毛細(xì)管光纖端面的入射光場(chǎng)。
[0019] 5、環(huán)形芯光纖，其包層折射率為1. 4446,纖芯折射率為1. 4517,芯層厚度為5um， 芯層中
[0020] 心線半徑42. 5um，光纖外徑125um ;
[0021] 所述的中空毛細(xì)管光纖，其光纖折射率為1. 4446,外徑125um，內(nèi)經(jīng)50um ;
[0022] 所述的纖維調(diào)制光纖為梯度折射率光纖，其直徑為220um，長(zhǎng)度為200um。
[0023] 有益效果：
[0024] 本發(fā)明提出了一種基于光纖技術(shù)的新型自加速類貝塞爾光束及其產(chǎn)生裝置。利用 光纖產(chǎn)生非對(duì)稱類貝塞爾光束，然后通過(guò)相位調(diào)制光纖對(duì)類貝塞爾光束進(jìn)行相位調(diào)制，出 射光束近似滿足貝塞爾光束的光場(chǎng)分布，在保持主瓣不明顯衍射的前提下，獲得橫向加速 度，能夠在自由空間中沿著彎曲的軌跡傳播。新型自加速類貝塞爾光束具有橫向自加速特 性，因而能夠?qū)μ幱谄渲械奈⒘?shí)現(xiàn)捕獲和沿著彎曲的軌道進(jìn)行輸運(yùn)等操作，這種機(jī)制也 能夠很好地與光鑷技術(shù)相結(jié)合，從而構(gòu)建出新型的光纖光鑷。
[0025] 相位調(diào)制光纖3能夠?qū)崿F(xiàn)光束空間自聚焦，但相比于構(gòu)成三維光鑷的光束聚焦角 度要求，這種自聚焦作用有可能達(dá)不到需要的角度。因此，改變自加速類貝塞爾光束的出射 方向，在應(yīng)用中具有實(shí)際意義。我們可以將相位調(diào)制光纖3的光纖纖端加工成圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)， 從而進(jìn)一步加強(qiáng)光束空間自聚焦。
[0026] 本發(fā)明涉及的新型自加速類貝塞爾光束具有橫向加速度特性，因而能夠?qū)μ幱谄?中的微粒實(shí)現(xiàn)捕獲和沿彎曲的軌道進(jìn)行輸運(yùn)等操作，這種操控機(jī)制有望將特定粒子繞過(guò)障 礙物輸運(yùn)到目標(biāo)位置，可在生物、化學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為新型自加速類貝塞爾光束產(chǎn)生裝置。
[0028] 圖2為圖1中AA^BB'和CC平面對(duì)應(yīng)的剖面圖，其中圖2(a)為雙芯光纖剖面 圖，圖2(b)為環(huán)形芯光纖剖面圖，均對(duì)應(yīng)于AA'平面；圖2(c)為毛細(xì)管光纖剖面圖，對(duì)應(yīng) 于BB'平面；圖2(d)為梯度折射率光纖剖面圖，對(duì)應(yīng)于CC'平面。
[0029] 圖3為梯度折射率光纖的折射率分布圖。
[0030] 圖4為環(huán)形芯光纖與毛細(xì)管光纖連接示意圖。
[0031] 圖5為環(huán)形芯光纖與毛細(xì)管光纖連接的出射光場(chǎng)仿真結(jié)果示意圖。
[0032] 圖6為環(huán)形芯光纖一毛細(xì)管光纖一相位調(diào)制光纖模型出射光場(chǎng)仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0034] 本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生自加速類貝塞爾光束的實(shí)驗(yàn)裝置，包括光源、接收光纖、場(chǎng) 型變換光纖、相位調(diào)制光纖。光源發(fā)出的光由接收光纖接收；利用場(chǎng)型變換光纖中的傳播 特性將接收光纖中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)轉(zhuǎn)換為非對(duì)稱的高階類貝塞爾光束；用一段特殊設(shè)計(jì)的相位 調(diào)制光纖對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制后的光束橫截面仍然接近貝塞爾函數(shù)，并在保持主瓣 不明顯衍射的前提下，獲得橫向加速度，能夠在自由空間中沿著彎曲的軌跡傳播。本發(fā)明涉 及的新型自加速類貝塞爾光束具有橫向加速度特性，因而能夠?qū)μ幱谄渲械奈⒘?shí)現(xiàn)捕獲 和沿彎曲的軌道進(jìn)行輸運(yùn)等操作，這種操控機(jī)制有望將特定粒子繞過(guò)障礙物輸運(yùn)到目標(biāo)位 置，可在生物、化學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
[0035] 接收光纖1可以是雙芯光纖或者多芯光纖，也可以是環(huán)形芯光纖。場(chǎng)型變換光纖2 可以是大芯徑階躍折射率分布的多模光纖，也可以是中空毛細(xì)管光纖。相位調(diào)制光纖3為 梯度折射率光纖。為了使相位調(diào)制光纖3實(shí)現(xiàn)的光束空間自聚焦達(dá)到需要的角度，可以將 相位調(diào)制光纖光出射端加工成圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。
[0036] 發(fā)明利用不同光纖的光傳播特性，光源發(fā)出的光通過(guò)接收光纖傳輸進(jìn)入場(chǎng)型變換 光纖，利用場(chǎng)型變換光纖中的傳播特性將接收光纖中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)轉(zhuǎn)換為非對(duì)稱的高階類貝 塞爾光束，然后用一段特殊設(shè)計(jì)的相位調(diào)制光纖對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)自加速類貝塞 爾