基于声致光纤光栅的高阶涡旋光场产生及调控

Acoustically-induced grating is an important way to achieve the generation of high order vortex in optical fiber, which is important for the fabrication and application of the all-fiber optical vortex generation device with conveniently tunability. In this project, we expect to construct an acoustically-induced grating with the propagation of an acoustic flexural wave along the unjacketed optical fiber, and actualize the generation and control of vortex field with its effect of cascaded vector mode coupling, and then explore the second harmonic effects and its topological charge evolution of the vortex field in nonlinear fibers. Our project will include three parts covering from the fundamental theory to its possible applications: 1. the transverse mode field distributions of the degenerate vector modes and acoustic modes in fiber are firstly theoretically analyzed, and the high-order vortex generation using the cascaded mode coupling of the acoustically-induced grating is theoretical analysis. 2. Experimentally explore the generation of the high-order optical vortex with the acoustically induced grating, and achieving the characteristic of wavelength tuning, topological charge conversion and high mode purity. 3. On the basis of the above theory and experiment results, we further achieving the second harmonic effects of the vortices and its topological evolution in nonlinear fiber. This project will present a clear view to the optical vortex generation in optical fiber with acoustically-induced grating, meanwhile it will introduce characteristics of all-fiber optical vortex generation devices, which is important for its applications.

声致光纤光栅是实现光纤中高阶涡旋光场产生的一种重要途径，它的实现有助于具有便捷可调谐特性的全光纤涡旋光场产生器件的制作及应用。本项目旨在如何利用声弯曲波在光纤中的传输构建声致光纤光栅结构，并利用其级联矢量模式耦合效应实现高阶涡旋光场的产生及调控，进而探索涡旋光场在非线性光纤中的倍频及其拓扑荷演化特性。主要研究内容有：1、理论分析简并矢量模式及声学模式的横向模场分布特性。在此基础上，理论研究声致光纤光栅实现高阶涡旋光场产生的级联模式耦合机理；2、实验搭建声致光纤光栅结构，并利用此结构实现高阶涡旋光场的产生，进而对其波长调谐、拓扑荷转换及高模式纯度等特性进行实验研究；3、在上述研究基础上，研究非线性光纤中涡旋光场的倍频及其拓扑荷演化特性。本项目的开展将有助于人们对声致光纤光栅实现高阶涡旋光场的产生及调控机理有更为清晰的认识，同时也为构建具有便捷可调谐特性的全光纤涡旋光场产生器件提供一种解决方案

本项目旨在利用声致光纤光栅实现光纤结构光场的产生、调控及应用，本项目完成的主要内容：①利用声致光纤光栅的偏振依赖矢量模式耦合及级联矢量模式耦合特性，建立光纤高阶涡旋光场产生及拓扑荷调控理论模型，并实验实现光纤高阶涡旋光场产生及拓扑荷调控；利用光纤中光学和声学矢量模式间的耦合，建立了光纤涡旋光场产生全矢量定量理论模型，并实验实现波长可调谐光纤涡旋光场产生。利用声致手性光栅的偏振依赖矢量模式耦合及声光轨道角动量转换，实现光纤矢量、涡旋光场产生及拓扑荷转换。②利用声致光栅的偏振依赖矢量模式耦合、宽光谱耦合特性，实现飞秒涡旋光场产生及拓扑荷转换；波长可调谐皮秒涡旋、倍频涡旋光场产生及拓扑荷调控；并利用光纤矢量光场的紧聚焦特性，实现针尖增强拉曼光谱检测。③建立基于光纤矢量光场内激发的针尖纳米聚焦光场理论模型，实现针尖基纳米聚焦光源产生，并将其用于近单分子水平拉曼检测；利用光纤角向矢量光场实现表面间隙模式激发，并将其用于高灵敏度拉曼检测；利用径向矢量光场激发光栅辅助耦合针尖，实现高电场增强因子针尖纳米聚焦光场产生。④利用声致光栅的偏振依赖矢量模式耦合及环形光纤简并矢量模式分离特性，在环状光纤中实现矢量、涡旋光场产生；利用声致光栅的偏振依赖矢量模式耦合，实现光纤纳秒柱矢量光场及斯托克斯频移柱矢量光场产生；本项目的研究工作有助于人们对声致光纤光栅实现光纤结构光场的产生机理、调控方法有更为清晰的认识，同时也为光纤结构光场的应用提供一种解决方案。