技术摘要：
本发明提供的是一种适配特种光纤的反射式轨道角动量光束转换器。其特征是：它由转换器基座、刻蚀掩模版、信号输入光纤、处理信号输出光纤、无心球头准直光纤、光纤压板组成。所述的刻蚀掩模版，在其表面有刻蚀有调制光波前的图样，可将光纤出射的高斯光束转换为带有轨  全部
背景技术：
众所周知，光波具有动和角动量。而随着研究的进步，科学家发现光波的角动量可 以分为自旋角动量(Spin  Ang ula r  Mom e n tum ,SAM)和轨道角动量(Or bi ta l  AngularMomentum,OAM)。带有轨道角动量的光波在传输过程中呈现中央暗环的特点，同时 其波前也呈现相位螺旋的状态，波前表达式含有exp( )因子，其中 是方位角，l是拓扑 电荷，而这种独特的状态则使得轨道角动量光束有着许多优异的性质和广泛的应用，诸如， 光镊技术、大容量光纤通信、量子信息等先进领域。 由于轨道角动量光束的巨大的应用潜力，其激发、转换和解调技术就凸显地尤为 重要。目前的研究人员采用的方式主要有空间光调制技术、Q玻片、螺旋相位板等技术，这些 传统的空间光学激发轨道角动量光束的方法往往需要设计一个体积庞大并且较为复杂的 光路，其泛用性不高，不能满足信息时代对器件集成化，小型化的需求。 为了解决以上问题，科研人员又提出了利用光纤模式耦合的方式来激发与控制轨 道角动量光束。光纤作为一种损耗低、重量轻、抗干扰能力强的传输介质有着得天独厚的优 势，但是利用模式耦合的方式激发轨道角动量光束需要对光纤的端面折射率分布、光栅区 域的结构进行设计，特别是对于特种光纤更需要更加复杂的计算，这无疑增加了该方案的 难度。 近些年来，微结构加工技术飞速发展，其中的飞秒加工技术更是如此。飞秒激光有 着超强功率、高聚焦能力、超短时间的特点，其激光脉冲时间可达到4fs(1fs＝10-15s)以内， 峰值功率为PW级(1Pw＝1015W)，而功率密度达到1020-1022W/cm2的级别。飞秒激光能够在极 短的时间内将其能量全部、精准地发射到指定区域，实现对塑料、半导体、玻璃等材料在微 纳尺寸的加工。与传统激光加工技术相比该技术，耗能低无热熔化区域，可以在玻璃材料上 进行操作，并且能突破衍射极限，是一种相当先进的方案。 为了实现轨道角动量光束的激发、转换与解调，许多研究人员都提出解决方案。 2018年，甘久林等人公开了一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，申 请号为CN201820560835.6，该发明利用两种光纤模式耦合的方式产生OAM模式，这种方案需 要研究入射及出射光纤的耦合问题，难以简单扩展至特种光纤，不能完全满足当今的需求。 2016年，杨中民等人公开了一种用于轨道角动量产生及调谐的涡旋光纤，申请号 为：CN201621268345.6，该发明利用应力区光纤来激发纤芯中的高阶模式，通过调节应力区 的电压使得纤芯中的基模转换为带有轨道角动量的模式。该方法适用于带应力区的光纤。 2018年，张狂等人公开了基于反射型超表面产生涡旋波束的透镜及方法，申请号 为：CN201610369753.9，该发明设计了一种具有m×n个周期性排布的金属相位突变单元，每 3 CN 111596410 A 说　明　书 2/3 页 个反射单元呈现z型，当圆极化光波照射到该表面时，即可在某个角度获得涡旋波束。该方 法需要空间光学器件，集成度不足。 本发明公开了一种适配特种光纤的反射式轨道角动量光束转换器，可用于轨道角 动量光束光纤激发、转换与信号解调，并能灵活适配各种特种光纤，应用于光纤通信、特种 光源生成以及光镊等领域。输入光波由输入光纤传输到无芯球头准直光纤后，进行了准直 并入射至由飞秒加工后的刻蚀掩模版上，实现了轨道角动量光束的激发，再经过球头无芯 光纤的准直，携带有轨道角动量的耦合至输出光纤上。与先前技术相比，本发明专利利用飞 秒加工技术，在掩模版上直接加工各种图样，集成度高，体积小，可批量生产，克服了前文所 诉的诸多困难。 (三)
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适配特种光纤的反射式轨道角动量光束转换器，可用 于轨道角动量光束光纤激发、转换与信号解调，并能灵活适配各种特种光纤。 本发明的目的是这样实现的： 由信号输入光纤输入的光波信号，在传输至前端无芯球头准直光纤的出射端时实 现了准直出射，光波经过自由空间入射至刻蚀掩模版，其表面的二维结构对光波进行调制 反射后，传输至下级光纤的球头无芯准直光纤，经再次准直后传导至输出光纤上。其中转换 器基座1上的V型槽和光纤压板用以固定光纤。所述的刻蚀掩模版，在其表面有刻蚀有调制 光波前的图样，可将光纤出射的高斯光束转换为带有轨道角动量的涡旋光束。 本发明所述的刻蚀掩模版由普通玻璃基片经过飞秒激光器刻蚀而成。针对不同的 刻蚀形状，飞秒加工系统内置的空间光调制器可以生成不同的输出激光脉冲，在玻璃基板 上生成特定功能的阶跃凹槽、渐变型凹槽、阵列孔洞、叉状光栅、闪耀光栅等图样。 以叉状光栅为例，当输入光波为高斯光束其轨道角动量OAM＝0时，为将其转换为 带有轨道角动量OAM＝1的输出光波，可使用如图3(a)的叉状渐变光栅；当输入光波为带有 轨道角动量OAM＝3的光波时，为将其信号解调需使用如图3(b)的叉状渐变光栅将其转换为 高斯光束。为实现激发、转换和解调功能，输入光波轨道角动量Min与输出光波的角动量Mou 以及叉状光栅阶数m之间的关系为： Min m＝Mou 本发明所述的刻蚀后掩模版可以是不镀膜的光滑表面，也可以是镀金属膜或多层 介质膜的高反射面。为达到调制效果，刻蚀掩模版的掩膜版的刻蚀深度在几十微米以内。 为了实现各种光纤中轨道角动量信号的激发、转换和解调，专利中所述的输入光 纤及处理信号输出光纤可以是普通单模光纤、多模光纤，也可以是多芯光纤、异型芯光纤、 气孔光纤等特种光纤。 专利中所述的无芯球头准直光纤的作用是对光纤输入输出端的光波信号进行准 直，减小其损耗，基于同样目的，该无芯光纤也可以是大芯径多模光纤或渐变折射率光纤。 专利中所述的球头无芯光纤可由普通无芯光纤经过切割研磨后得到，球头的弧度 需要根据其准直情况设计。 专利中所述的转换器基座1上制备有V型槽来放置信号输入光纤和输出光纤，可放 置125um或250um的光纤。同时用以连接刻蚀掩模版的插口周围设计有顶丝孔，可以从三个 4 CN 111596410 A 说　明　书 3/3 页 方向调节掩模版的位置和倾角。 接下来阐述本发明的使用过程，首先确定输入光信号和输出光信号的轨道角动 量，并根据所使用的光纤类型，针对性设计掩模版的图样。之后，利用飞秒加工技术在标准 空白掩模版上刻蚀特定图样，加工完毕后可蒸镀金属膜以提高反射率，之后将信号输入光 纤和处理信号输出光纤前端分别熔接无芯球头光纤，再将这两种光纤放置再转换器基座的 V型槽口上，放置光纤压板限位和掩模版并调节顶丝孔之后，即可再输出光纤中获取所需的 带有特定轨道角动量光束的输出信号。 (四)附图说明 图1为一种适配特种光纤的反射式轨道角动量光束转换器的示意图，其中各组成 部分为：转换器基座1、刻蚀掩模版2、信号输入光纤3、处理信号输出光纤4、无心球头准直光 纤5、光纤压板6和7。 图2是转换器基座示意图，其中1-1为刻蚀掩模版插槽，1-2为调节掩模版位置的顶 丝孔，1-3为放置光纤的V槽，1-4为放置光纤压板的支柱。 图3为四种刻蚀掩模版图样，其中(a)为螺旋式阵列孔，(b)为阵列孔洞，(c)为阶数 为1的叉状光栅,(d)阶数为-3的叉状光栅。 图4为光波照射至刻蚀掩模版时，入射光波和出射光波的波前相位示意图。其中入 射光波为平面波，出射光波为带有轨道角动量的涡旋光波。 图5为本发明可适配的几种特种光纤，包括环形芯光纤，渐变折射率光纤，多芯光 纤等。 (五)