一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法及装置。空心光子晶体光纤的两端与两根单模光纤出射端熔接，然后利用相向传播的两根单模光纤中出射的基模高斯光束，将球状微粒束缚在空心光子晶体光纤的空心纤芯中，球状微粒因此在光阱中达到受力平衡；改变不同单模光纤中光功率的大小，改变球状微粒受到的光阱力，控制球状微粒的加速度和运动位移。装置包括光纤光阱系统的基片、两根单模光纤、一根空心光子晶体光纤、耦合器、光强调制器、激光器、光电图像探测器、计算机等。本发明提高了激光光束的能量利用率及激光光束的对准精度，避免在液体中布朗运动对球状微粒运动状态的影响。
【专利说明】一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学惯性导航和光学工程领域，尤其涉及一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法及装置。
【背景技术】
[0002]由量子理论可知光束是一群以光速运动的、有动量的光子流。当光束在介质表面发生折射和反射时，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变换。根据动量守恒定律光子的动量变换量等于球状微粒的动量变化量，所以球状微粒的动量相应变化，也即光束对球状微粒存在力的作用，称为光辐射压。包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对球状微粒进行捕捉，令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。
[0003]传统制备光纤光阱的方法是:将球状微粒置于玻璃基片的“十”字型凹槽的中央，在二维空间用四根“十”字型摆放、相向对准的单模光纤中出射的高斯光束或者两根“一”字型摆放、相向对准的单模光纤中出射的高斯光束对液体中的球状微粒施加光阱力。
[0004]传统制备光纤光阱方法的缺点是:球状微粒在液体环境中受到布朗运动而在平衡位置附近作无规则运动，影响光阱力的作用效果；两对单模光纤相向对准同一球状微粒或者一对单模光纤相向对准同一球状微粒，对准精度十分严格而且捕获难度增加；单模光纤掺杂高纯度硅纤芯，光纤性能和参数如损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等都要受到硅材料相应参数的影响，单模光纤出射的激光能量损耗大，单位光功率产生的光阱作用力小。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法及装置。
[0006]一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法，空心光子晶体光纤的两端与两根单模光纤出射端熔接，然后利用相向传播的两根单模光纤中出射的基模高斯光束，将球状微粒束缚在空心光子晶体光纤的空心纤芯中，球状微粒因此在光阱中达到受力平衡；改变不同单模光纤中光功率的大小，改变球状微粒受到的光阱力，控制球状微粒的加速度和运动位移。
[0007]—种利用空心光子晶体光纤制备光阱的装置，包括第一单模光纤、第二单模光纤、空心光子晶体光纤、带凹槽的玻璃基片、第一光纤稱合器、第二光纤稱合器、第一光强调制器、第二光强调制器、第一激光器、第二激光器、光电图像探测器、计算机；计算机带有视频采集装置，通过视频采集装置获取光电图像探测器的视频信息；球状微粒置于所述的空心光子晶体光纤的空心纤芯中；第一单模光纤、第二单模光纤的输出端分别与空心光子晶体光纤两端面熔接，然后置于所述的带凹槽的玻璃基片中，固定在凹槽上；第一单模光纤的输入端耦合到第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的另一端与第一光强调制器连接，第一激光器出射的光经过第一光强调制器调制后，输入到第一单模光纤；第二单模光纤的输入端耦合到第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的另一端与第二光强调制器连接，第二激光器出射的光经过第二光强调制器调制后，输入到第二单模光纤；光电图像探测器置于球状微粒的上方，并对球状微粒成像；光电图像探测器与计算机连接。
[0008]优选地，所述玻璃基片的中央有条直线型凹槽，凹槽成V面倒三角形，V面分别与第一单模光纤、第二单模光纤、空心光子晶体光纤的柱面相切。
[0009]优选地，所述的凹槽中填充透明紫外胶。
[0010]优选地，所述的光电图像探测器包括显微物镜和成像元件，所述的成像元件为CXD或 CMOS。
[0011]优选地，所述的空心光子晶体光纤位于所述的凹槽中，其长度是凹槽长度的三分之一到二分之一。
[0012]优选地，所述的第一单模光纤、第二单模光纤型号相同，所述的第一单模光纤和空心光子晶体光纤的纤芯直径相同。
[0013]优选地，所述的球状微粒为二氧化硅球状微粒。
[0014]本发明的有益效果是:将光纤固定在玻璃基片的中央直线型凹槽中，简化制备工艺；空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃材料中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响，提高了激光光束的能量利用率；空心光子晶体光纤的两端与两根单模光纤出射端熔接，提高了激光光束的对准精度；空心光子晶体光纤内部的空心纤芯构造，避免传统光纤光阱中球状微粒运动状态受液体中的布朗运动的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中空心光子晶体光纤的剖面示意图；
图3是本发明在直线型V面凹槽的玻璃基片上固定光纤完成后的示意图；
图4是激光光束通过本发明装置的三段光纤时的示意图；
其中1.1为第一单模光纤，1.2为第二单模光纤，2为空心光子晶体光纤，3为球状微粒，4为带凹槽的玻璃基片，5.1为第一光纤稱合器,5.2为第二光纤稱合器,6.1为第一光强调制器，6.2为第二光强调制器，7.1为第一激光器，7.2为第二激光器，8为光电图像探测器，9为计算机，10为空心光子晶体光纤的空心纤芯，11为空心光子晶体光纤的空心孔形成的光子能隙，12为空心光子晶体光纤的包层，13为单模光纤与空心光子晶体熔接之后整根光纤的纤芯，14为激光高斯光束。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图进一步说明本发明。
[0017]参照图1所示，一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的装置，包括第一单模光纤1.1、第二单模光纤1.2、空心光子晶体光纤2、带凹槽的玻璃基片4、第一光纤耦合器5.1、第二光纤稱合器5.2、第一光强调制器6.1、第二光强调制器6.2、第一激光器7.1、第二激光器
7.2、光电图像探测器8、计算机9 ;计算机9带有视频采集装置，通过视频采集装置获取光电图像探测器8的视频信息；球状微粒3置于所述的空心光子晶体光纤2的空心纤芯中；第一单模光纤1.1、第二单模光纤1.2的输出端分别与空心光子晶体光纤2两端面熔接，然后置于所述的带凹槽的玻璃基片4中，固定在凹槽上；第一单模光纤1.1的输入端耦合到第一光纤率禹合器5.1,第一光纤稱合器5.1的另一端与第一光强调制器6.1连接,第一激光器7.1出射的光经过第一光强调制器6.1调制后,输入到第一单模光纤1.1 ;第二单模光纤1.2的输入端稱合到第二光纤稱合器5.2,第二光纤稱合器5.2的另一端与第二光强调制器6.2连接，第二激光器7.2出射的光经过第二光强调制器6.2调制后，输入到第二单模光纤1.2 ;光电图像探测器8置于球状微粒3的上方，并对球状微粒成像；光电图像探测器8与计算机9连接。
[0018]参照图2所示，空心光子晶体光纤结构分为三层，即空心光子晶体光纤的空心纤芯10、空心光子晶体光纤的空心孔形成的光子能隙11、空心光子晶体光纤的包层12，由于空心光子晶体光纤的纤芯直径在7~14微米，125微米单模光纤的纤芯直径在8~10微米，为了提高球状微粒对位移的灵敏度，方便观察，通常选择二氧化硅球状微粒的直径在2~4微米，质量在?ο-9--!。-7克。
[0019]本发明的方法是:空心光子晶体光纤的两端与两根单模光纤出射端熔接，然后利用相向传播的两根单模光纤中出射的基模高斯光束，将球状微粒束缚在空心光子晶体光纤的空心纤芯中，球状微粒因此在光阱中达到受力平衡。改变不同单模光纤中光功率的大小，改变球状微粒受到的光阱力，控制球状微粒的加速度和运动位移。
[0020]本发明的工作原理是:
两根单模光纤I端面出射的光束在空心光子晶体光纤2中相向传播,对空心光子晶体光纤空心2纤芯内的球状二氧化硅球状微粒3进行捕获，使其稳定在沿光轴方向的某位置附近，由于光纤耦合器5以及光纤熔接不均匀导致球状二氧化硅球状微粒3不会停留在空心光子晶体光纤2的中心处，而偏离中心一定距离，此位置即平衡位置。调节不同单模光纤中光功率的大小，即将一个光强调制器6的光功率调大，另一个光强调制器6的光功率不变，由于单模光纤I中出射的光功率大小不同导致光阱力的大小不同，被捕获的二氧化硅球状微粒3会向光功率小的一侧运动，利用光电图像探测器6的成像元件获取球状微粒3运动视频，并通过视频采集卡传送给计算机9，在计算机9上观察球状微粒3的运动状态。由于二氧化硅球状微粒3受到沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力，且光强分布不均匀，指向光强较强处的梯度力比沿光束传播方向的散射力大两个数量级，使球状微粒3的运动主要受相对的激光光束的径向梯度力的作用，使被捕获的球状二氧化硅球状微粒3在两激光光束光强分别不均匀且大小不同情况下旋转运动，在计算机9上观察球状微粒3的运动状态。
实施例
[0021]一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的装置的具体步骤是:
一、制作玻璃基片4,将球状微粒3置于空心光子晶体光纤2空心纤芯内，将两根单模光纤I出射端面与空心光子晶体光纤2熔融连接，三根光纤被透明的紫外胶固定在玻璃基片4的V型凹槽里，此步骤完成之后所制作的玻璃基片的示意图见附图3 ；
二、将玻璃基片4水平置于光电图像探测器8下，打开光电图像探测器8、计算机9以及视频采集软件，光电图像探测器8的显微物镜置于最小的倍率，从三维方向粗调玻璃基片4的位置，使视频采集软件中显示空心光子晶体光纤2的像清晰，其次显微物镜置于较大的倍率并微调显微物镜，使视频采集软件中显示的球状微粒3的像清晰；
三、打开激光器7，调节激光器7使两个激光器7出射相等大小的光功率，打开光强调制器6，调节两个光强调制器6使激光器7出射的光调制成两束光强相同的两束光，两光束分别输入到两根单模光纤I中；
四、水平放置玻璃基片4，调节光强调制器6，使两束激光的光功率不同，使球状微粒3缓慢移动最后稳定在空心光子晶体光纤2空心纤芯的某个位置处，单模光纤与空心光子晶体熔接之后整根光纤的纤芯13和稳定时激光高斯光束14通过本发明装置的三根光纤时的不意图见附图4 ；
五、将玻璃基片4竖直放置，光纤方向也竖直，光电图像探测器8与玻璃基片9平面位于同一侧，调节光强调制器6,使球状微粒3上方的激光强度大于下方的激光强度,球状微粒3受到的合成光阱力与重力平衡时，在视频采集软件中显示球状微粒3移动并在该平衡位置稳定。
[0022] 以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的方法，其特征是:空心光子晶体光纤的两端与两根单模光纤出射端熔接，然后利用相向传播的两根单模光纤中出射的基模高斯光束，将球状微粒束缚在空心光子晶体光纤的空心纤芯中，球状微粒因此在光阱中达到受力平衡；改变不同单模光纤中光功率的大小，改变球状微粒受到的光阱力，控制球状微粒的加速度和运动位移。
2.一种利用空心光子晶体光纤制备光阱的装置，其特征是:包括第一单模光纤(1.1)、第二单模光纤(1.2)、空心光子晶体光纤(2)、带凹槽的玻璃基片(4)、第一光纤耦合器(5.1)、第二光纤耦合器(5.2)、第一光强调制器(6.1)、第二光强调制器(6.2)、第一激光器(7.1)、第二激光器(7.2)、光电图像探测器(8)、计算机(9);计算机(9)带有视频采集装置，通过视频采集装置获取光电图像探测器(8)的视频信息；球状微粒(3)置于所述的空心光子晶体光纤(2)的空心纤芯中；第一单模光纤(1.1)、第二单模光纤(1.2)的输出端分别与空心光子晶体光纤(2)两端面熔接，然后置于所述的带凹槽的玻璃基片(4)中，固定在凹槽上；第一单模光纤(1.1)的输入端稱合到第一光纤稱合器(5.1),第一光纤稱合器(5.1)的另一端与第一光强调制器(6.1)连接，第一激光器(7.1)出射的光经过第一光强调制器(6.1)调制后，输入到第一单模光纤(1.1);第二单模光纤(1.2)的输入端耦合到第二光纤耦合器(5.2)，第二光纤耦合器(5.2)的另一端与第二光强调制器(6.2)连接，第二激光器(7.2)出射的光经过第二光强调制器(6.2)调制后，输入到第二单模光纤(1.2);光电图像探测器(8)置于球状微粒(3)的上方，并对球状微粒成像；光电图像探测器(8)与计算机(9)连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述玻璃基片(4)的中央有条直线型凹槽，凹槽成V面倒三角形,V面分别与第一单模光纤(1.1)、第二单模光纤(1.2)、空心光子晶体光纤(2)的柱面相切。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述的凹槽中填充透明紫外胶。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述的光电图像探测器(8)包括显微物镜和成像元件，所述的成像元件为CCD或CMOS。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述的空心光子晶体光纤(2)位于所述的凹槽中，其长度是凹槽长度的三分之一到二分之一。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述的第一单模光纤(1.1)、第二单模光纤(1.2)型号相同,所述的第一单模光纤(1.1)和空心光子晶体光纤(2)的纤芯直径相同。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征是:所述的球状微粒为二氧化硅球状微粒。
【文档编号】G01P15/03GK103575930SQ201310500188
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】贾博, 胡慧珠, 缪立军, 李正刚, 薛藩衍 申请人:浙江大学