[发明专利]光纤螺旋天线波场转换器

说明书

本发明提供的是光纤螺旋天线波场转换器，其特征是：所述器件由一段带有长周期光纤光栅1的环形芯光纤2、纤端中央的螺旋天线3组成；其中，环形芯光纤2的纤端经研磨形成纤端圆锥台4，环形芯光纤2包含外包层5、环形纤芯6、内包层7；输入光8注入到环形芯光纤2后形成低阶传导模式9，经长周期光纤光栅1调制后转化成径向偏振模式10传输经过纤端圆锥台4时在外包层5与外界媒质的分界面处发生全内反射，反射光波11在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端聚焦，在聚焦处产生相长干涉12，从而在纤端中心处产生干涉加强的纵向偏振光场13，纵向偏振光场13受到螺旋天线4调制后输出圆偏光场14。本发明可用于波场转换、信号检测和光操纵等领域。

(一)技术领域

本发明提供的是光纤螺旋天线波场转换器，本发明可用于波场转换、和光操纵等领域。

(二)背景技术

光纤纤端的微结构是一种新兴的光学操纵平台，它能在纳米尺度上实现光转换、光耦合、光束整形、光学传感等功能，是将光纤与微纳技术相结合的一种高效方法。得益于光纤纤端横截面的微型尺寸和超高纵横比，使其在远程和受限环境中工作成为可能，而纤端的生物相容性、高机械强度使其成为多种功能材料和特殊结构的集成平台的不二之选，同时，也为实现先进的光纤器件创造了无与伦比的机会。新世纪以来，随着纳米制造的不断发展，在光纤端面上的微纳光学结构被不断丰富，有助于提高光纤器件的微型化和高度集成。

天线可以对电磁场进行亚波长尺度的调控使其成为现代电磁系统中的关键部分，天线能有效地将局域能量和远场传播的电磁波耦合起来，开创了多种形式的电磁应用。随着通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的需要，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，导致微波射频天线的概念被引入到光频段，产生了由亚波长元素所构成的纳米光学天线。现阶段，传统的天线理论和技术已经日渐成熟与完善，人们将越来越多的目光投向了与新创新科技应用紧密相连的天线型式。光纤与天线的结合是未来光纤器件的发展的一个新方向，既可以通过天线将外界产生的物理化学、光学、压电、热、声、磁等信号变化传输回光纤中识别，也可以通过光纤的特殊构造使天线受到特种光场的激发，进而突破衍射极限，实现生物传感、光操纵等传统天线不具备的功能。例如，Wang M团队设计了一种等离子体行波纳米天线(Light:ScienceApplications,8.1(2019):1-8)，通过一个带有偶极孔径的镀金螺旋结构纳米天线可以实现在亚波长尺度上旋转表面等离子体激元，并利用光学自旋轨道相互作用来实现可调偏振控制，但是该天线是单一式的，没有集成在纤端表面；Soltani N团队通过设计特定的光纤几何形状、材料和涂层，与平面八木天线相结合，实现了平面天线中偶极发射器与光纤的耦合(Optics express,2019,27(21):30830-30841)。该光纤的纤芯半径大于入射波波长，纤端涂覆有薄金层，充当指向元件。这种结构解决了辐射场与光纤中导模重叠的问题，使得偶极到光纤中的耦合效率增加；JM Ward团队设计了在光学微谐振器中使用“即插即用”的基于光纤的光学纳米天线来激发和检测回音壁模式(Opticsletters,44.13(2019):3386-3389)，所测光谱由耦合间隙、偏振和光纤尖端位置来表征。但是，上述两种装置需要复杂的外部能量输入，并且实现的耦合功能中没有包含光的偏振控制。中国专利(CN103986523A)公开了一种基于光纤阵列的卡塞格伦收发一体天线及收发一体方法，提高了卡式天线发射功率且实现了收发一体化，安装方便，体积小，通信距离远；中国专利(CN110444997A)公开了一种基于光学倍频的光纤耦合太赫兹光电导天线探测器，该器件的探测光经由光学倍频模块最终传递至光电导天线，其主体结构简单，设计构思巧妙，制备成本低，适宜工业化生产。上述专利所提出的基于光纤与天线结合的器件多用于光通信中，不能实现光场转换，尤其是光场纵、横偏振分量的转换。