一种自加速类贝塞尔光束的产生装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自加速光束领域，尤其涉及一种自加速类贝塞尔光束的产生装置。
【背景技术】
[0002] 贝塞尔光束是自由空间标量波动方程沿z轴传播的一组特殊解。
[0003] 1987 年 Durnin(Physical Review Letters，1499-1501，1987)首次提出了贝塞尔 光束的数学模型，证明亥姆霍茨方程的Whitaker解存在贝塞尔形式的特解，并与传输方向 无关。科研工作者可以从实验上得到具有有限能量的贝塞尔光束，即类贝塞尔光束，该光束 在一定传输距离内具有无衍射特性和自我修复特性。在这以后，研宄者们发现另一种波动 方程在椭圆柱坐标中的解--马丢光束（Mathieu beams)也具有无衍射性。
[0004] 早在 1979 年，Berry 和 Balazs (American Journal of Physics，264-267,1979)在 量子力学领域做了一个重要的预言：薛定谔方程具有一个遵循艾里函数的波包解。理论研 宄发现，艾里波包是一维薛定谔方程唯一的无衍射解。然而，这一工作因其理论与现实的差 异没有引起人们的关注。
[0005] 直到 2007 年，中弗罗里达大学的 Georgios Siviloglou (Optics Letters， 979-981,2007)等人重新对Berry的工作进行了研宄，第一次在实验室实现了携带有限能 量艾里光束的产生。相比贝塞尔光束和马丢光束，艾里光束除了具有无衍射性和自愈性外， 还具有自弯曲传输的奇异特性。
[0006] 艾里光束的实现为构建自横向加速光束开辟了道路，极大地激发了研宄者们探宄 新型自加速光束的兴趣。参照研宄艾里光束的思路，一些学者在麦克斯韦方程或者不含 时间的亥姆霍兹方程中发现了新型自加速解。比如：Segev(Physical review letters， Vol. 16, 2012)等发现了非傍轴情况下沿圆形轨道大角度加速的无衍射光束；张鹏 (Physical review letters，Vol. 19,2012)等发现非傍轴的Mathieu和Weber光束沿圆形、 椭圆及抛物轨道大角度加速；此外，Christodoulides (Physical review letters，Vol. 20， 2012)等发现了可以沿椭圆和球面轨道传输的亥姆霍兹光束。最近，螺旋类贝塞尔光束和蛇 形类贝塞尔光束也在空间光路中得以实现。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种结构紧凑、操作方便的，自加速类贝塞尔光束的产生装 置。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位 调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转 换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类 贝塞尔光束。
[0010] 本发明一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，还可以包括：
[0011] 1、接收光纤为双芯光纤、多芯光纤或者环形芯光纤中的一种。
[0012] 2、场型变换光纤为大芯径阶跃折射率分布的多模光纤或者是中空毛细管光纤。
[0013] 3、纤维调制光纤为梯度折射率光纤。
[0014] 4、接收光纤为环形芯光纤，所述的场型变换光纤为中空毛细管光纤，则中空毛细 管光纤输出的高阶类贝塞尔光束为：
[0016] 其中是贝塞尔函数，L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激 发模式的数量，kz，fn为横向波矢，r是径向坐标，0 模的传播常数，C n是解系数：
[0018] 其中Ein(r，0 )为毛细管光纤端面的入射光场。
[0019] 5、环形芯光纤，其包层折射率为1. 4446,纤芯折射率为1. 4517,芯层厚度为5um， 芯层中
[0020] 心线半径42. 5um，光纤外径125um ;
[0021] 所述的中空毛细管光纤，其光纤折射率为1. 4446,外径125um，内经50um ;
[0022] 所述的纤维调制光纤为梯度折射率光纤，其直径为220um，长度为200um。
[0023] 有益效果：
[0024] 本发明提出了一种基于光纤技术的新型自加速类贝塞尔光束及其产生装置。利用 光纤产生非对称类贝塞尔光束，然后通过相位调制光纤对类贝塞尔光束进行相位调制，出 射光束近似满足贝塞尔光束的光场分布，在保持主瓣不明显衍射的前提下，获得横向加速 度，能够在自由空间中沿着弯曲的轨迹传播。新型自加速类贝塞尔光束具有横向自加速特 性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿着弯曲的轨道进行输运等操作，这种机制也 能够很好地与光镊技术相结合，从而构建出新型的光纤光镊。
[0025] 相位调制光纤3能够实现光束空间自聚焦，但相比于构成三维光镊的光束聚焦角 度要求，这种自聚焦作用有可能达不到需要的角度。因此，改变自加速类贝塞尔光束的出射 方向，在应用中具有实际意义。我们可以将相位调制光纤3的光纤纤端加工成圆锥台结构， 从而进一步加强光束空间自聚焦。
[0026] 本发明涉及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其 中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障 碍物输运到目标位置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。
【附图说明】
[0027] 图1为新型自加速类贝塞尔光束产生装置。
[0028] 图2为图1中AA^BB'和CC平面对应的剖面图，其中图2(a)为双芯光纤剖面 图，图2(b)为环形芯光纤剖面图，均对应于AA'平面；图2(c)为毛细管光纤剖面图，对应 于BB'平面；图2(d)为梯度折射率光纤剖面图，对应于CC'平面。
[0029] 图3为梯度折射率光纤的折射率分布图。
[0030] 图4为环形芯光纤与毛细管光纤连接示意图。
[0031] 图5为环形芯光纤与毛细管光纤连接的出射光场仿真结果示意图。
[0032] 图6为环形芯光纤一毛细管光纤一相位调制光纤模型出射光场仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0034] 本发明提供了一种产生自加速类贝塞尔光束的实验装置，包括光源、接收光纤、场 型变换光纤、相位调制光纤。光源发出的光由接收光纤接收；利用场型变换光纤中的传播 特性将接收光纤中传输的光场转换为非对称的高阶类贝塞尔光束；用一段特殊设计的相位 调制光纤对光场进行相位调制，调制后的光束横截面仍然接近贝塞尔函数，并在保持主瓣 不明显衍射的前提下，获得横向加速度，能够在自由空间中沿着弯曲的轨迹传播。本发明涉 及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获 和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位 置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。
[0035] 接收光纤1可以是双芯光纤或者多芯光纤，也可以是环形芯光纤。场型变换光纤2 可以是大芯径阶跃折射率分布的多模光纤，也可以是中空毛细管光纤。相位调制光纤3为 梯度折射率光纤。为了使相位调制光纤3实现的光束空间自聚焦达到需要的角度，可以将 相位调制光纤光出射端加工成圆锥台结构。
[0036] 发明利用不同光纤的光传播特性，光源发出的光通过接收光纤传输进入场型变换 光纤，利用场型变换光纤中的传播特性将接收光纤中传输的光场转换为非对称的高阶类贝 塞尔光束，然后用一段特殊设计的相位调制光纤对光场进行相位调制，实现自加速类贝塞 尔