基于少模光纖的軸對稱偏振光束的產生

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換器，通過旋轉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，同時配合旋轉光纖擠壓器，以實驗的方式獲得了不同模式的軸對稱偏振光束。通過調節偏振控制器以及輸入光束和光纖的離軸狀態，分別得到了徑向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇數混合偏振HEodd21模式，偶數混合偏振HEeven21模式，以及線偏振HE11模式五種光纖所激發的模式。同時，還通過干涉實驗中叉形光柵結構證明了相位奇點的存在。 關鍵詞： 軸對稱偏振光束； 少模光纖； 偏振控制器； 相位奇點

中圖分類號： O 436.3 文獻標志碼： 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]，不同于常規的均勻偏振光，其偏振態在光束橫截面內呈對稱分布，且光斑中心具有螺旋狀的波前相位結構，被稱為相位奇點，使得中心處的光強為零，形成類似于“甜甜圈”的光強分布。因其獨特的光學性質，此類光束在經高數值孔徑透鏡聚焦后，其焦點處光場會在光束軸向形成一個很強的電場分量[2]，且焦點處光斑直徑比空間偏振態均勻分布的光束（如線偏振光）的光斑直徑要小[3]。近年來，軸對稱偏振光束獨特性質引起了研究者廣泛的興趣，也在諸多領域得到應用，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]、提高存儲密度[7]等方面。

目前，實驗上獲得軸對稱偏振光束的方法雖然很繁多，但通常可分為主動方式和被動方式兩類。前者主要將一些偏振選擇性的光學元件，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，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化器件直接獲得目標光束，其轉化器件包括組合半波片[11]、少模光纖[12]、空間相位調制器[13]以及亞波長光柵[14]。其中，將激光耦合進光導纖維獲得軸對稱偏振光束的方式，因其操作簡單，穩定性高以及成本低等特點吸引了越來越多科研人員的關注。在該方案中，通常選用少模光纖作為耦合介質，在其工作波長上光纖中可以傳輸少數橫模，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，奇數混合偏振HEodd21模式，偶數混合偏振HEeven21模式），對應的歸一化頻率范圍為2.405

1 實驗設計

本實驗的主要實驗設計部分如圖1所示。光源為線偏型的氦氖激光器，在其后放置一個偏振分束器（PBS）將入射光分成偏振態相互垂直的兩束光，從偏振分束器透射的光束被一個數值孔徑NA=0.25的顯微透鏡L1聚焦后耦合進一根長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，因為少模光纖（FMF）僅支持基模和二階模的傳輸。光纖前端被固定在一個三維調節平臺上，可以精確調節入射光和光纖之間的俯仰角以及光纖前端點到顯微透鏡L1的距離。光纖在通過一個偏振控制器（索雷博 PLC900）后，出射光束被一個數值孔徑NA=0.4的顯微透鏡L2準直后穿過非偏振型分束器（NPBS），然后被大恒光電公司生產的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，在L2和NPBS之間放入了一個可旋轉的偏振片。為了檢測輸出光束中心是否存在相位奇點，將由PBS反射的光束分別經過反射鏡M1、M2，然后被NPBS反射后和輸出光束形成干涉。

2 結果和分析

實驗開始時，首先讓入射的高斯光束以最佳的角度耦合進入光纖，然后調節入射光和光纖之間的俯仰角以及兩者的距離，旋轉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，同時配合旋轉光纖擠壓器，在一個特定的狀態下會激發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，在五個特定的調節狀態下所激發的五種不同的光纖模式的強度分布圖。第二列到第五列表示的是與之相對應的光纖模式在經過檢偏器后的強度分布，其中白色箭頭的方向為檢偏器的偏振軸方向。圖2（a2）～（a5）是經過檢偏器的強度分布圖，這些兩葉狀圖案中間的空行方向都和相應的檢偏器的偏振軸向相互垂直，這表明其所激發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的檢偏器的偏振軸向相互平行，表明其所激發的光纖模式為角向偏振TE01。從圖2（c2）～（c5）和圖2（d2）～（d5）中發現，隨著檢偏器的偏振軸向順時針旋轉時，與之相應的兩葉狀圖案卻在逆時針旋轉，這與混合偏振態的特征一致。圖2（c1）～（c6）中發現，在橫向和縱向有徑向偏振態的特征，而斜向有角向偏振態的特征，表明其為奇數混合偏振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的特征，而斜向有徑向偏振態的特征，表明其為偶數混合偏振HEeven21。圖2（e1）～（e6）發現，隨著檢偏器的偏振軸做順時針旋轉時，其兩葉狀圖案表現出明暗變化，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第六列表示對應激發模式的偏振態分布。我們發現，在光纖輸入端為線偏型高斯光時，通過調節輸入端的離軸狀態以及對光纖中部施加應力以及旋轉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，奇數混合偏振HEodd21模式，偶數混合偏振HEeven21模式和線偏型基模HE11。

為了驗證激發的光纖模式中是否存在相位奇點，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構意味著在這些輸出模式中存在相位奇點[15]，圖3（b5）線偏型基模中則沒有類似的叉形結構。

3 總 結

利用少模光纖作為模式轉換器，通過擠壓和旋轉光纖的方式可獲得含有相位奇點的矢量偏振光束。實驗表明，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提供了一個理想的平臺。最后，干涉實驗也說明了那些空間偏振態分布不均一的激發模式中總伴有相位奇點的存在。

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