非圆对称多通道微结构光纤中轨道角动量模式耦合调控机理及应用研究

Fiber orbital angular momentum (OAM) modes have great significance in optical fiber communication, laser technology and microparticles manipulation due to their extraordinary optical properties among ordinary beams. However, a simple and effective method for all-fiber OAM mode generation and regulation has always been the key problem in the field of fiber OAM modes. In view of the current research situation and existing problems in this field, this project will make use of the flexible mode-coupling and birefringence characteristics of microstructured fiber and firstly propose a novel kind of non-circular symmetric multi-channel microstructured optical fiber. By designing appropriate structural parameters, this fiber will realize the conversion between common fiber modes and different OAM modes in single or multiple channels. Meanwhile, a new “phase-shifted coupled mode” theory model will be established to analyze the mode coupling and phase shift mechanism in this non-circular symmetric multi-channel fibers, which will provide new ideas for OAM mode excitation. Finally we will put forward a feasible experiment scheme, and further study the new regulation, mechanism and application of the OAM mode in the material-filled microstructured fibers. This project will promote the development of OAM optical field, microstructure fiber and optical fiber communication field.

光纤轨道角动量（OAM）模式具有丰富而奇异的光学特性，在光纤通信、激光技术及粒子操控等领域有着重要的研究意义。然而，简单有效的全光纤OAM模式激发与调控方法一直都是光纤OAM领域亟待解决的关键问题。针对目前光纤OAM模式激发与调控领域存在的诸多科学问题，弥补国内外研究现状的不足，本项目拟借助微结构光纤灵活的模式耦合与双折射特性，提出一类新型多通道非圆对称微结构光纤，通过设计合理的结构参数，拟实现单个或多个芯通道内不同种类OAM模式的激发与调控；与此同时，我们拟建立一种新型“相移式耦合”理论模型与分析方法，深入研究并诠释多通道非圆对称光纤中模式耦合机制及相移规律，为OAM模式激发提供新的思路；最后我们拟提出切实可行的实验激发与调控方案，并进一步结合功能型折射率可调材料，研究光纤OAM模式的调控新规律、新机制和新应用。本项目的开展将有助于推动OAM光学领域、微结构光纤和光纤通信等领域的发展。

光纤轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）模式以其丰富奇异的光学特性，在光纤通信、激光技术、微纳操控与显微成像等领域有着重要的研究意义。然而，简单有效的全光纤OAM模式激发与调控方法一直都是光纤OAM领域亟待解决的关键问题。针对目前该领域存在的诸多问题，本项目围绕OAM模式的选择性激发、转换与调控进行了深入的理论分析和大量的实验研究，取得的主要创新性研究成果包括：..1、建立了多种创新性理论模型与分析方法：提出了基于非圆对称微结构光纤的“相移式耦合”理论模型，详细分析并诠释了OAM模式的相移耦合机理、激发条件和调控规律；推导了光纤OAM模式与本征模式之间的转换关系，发现并解释了相位涡旋光束和偏振涡旋光束之间的内在规律和联系；构造了四维Hilbert空间模型，分析了光纤中柱矢量模式与OAM模式之间的特殊联系与转换机理。..2、依据已建立的理论模型与分析方法，我们提出并设计了各类光纤OAM模式的激发与调控方案，包括非圆对称微结构光纤、双环谐振色散调控光纤、模式分解与重组、熔融拉锥及光纤光栅激发方案等。我们从理论上发现、研究并揭示了OAM模式谐振转换、偏振控制、调控传输等方面的若干新现象、新机理和新规律。..3、在系统的理论工作基础上，我们提出了切实可行的实验方案，采用了多种激发手段（多通道熔融拉锥、扭曲长周期光栅、倾斜布拉格光栅等）与各类的调控手段（偏振控制器、四分之一波片、偏振片等），提出并实现了不同种类OAM模式的实验激发与调控（模式激发与转换、宽带OAM模式激发、输出偏振调控等），并对研究过程中发现的诸多新现象、新特性给出了合理的解释。..本项目提出并实现了多种新型可调谐全光纤OAM光纤功能器件，并在国内外学术期刊和会议上共发表论文22篇，其中SCI收录18篇（其中影响因子大于3.0的高水平学术论文6篇），申请国家发明专利5项（其中已授权3项），培养博士生1人，硕士生7人，（其中已毕业博士生1人，硕士生1人）。负责人在项目执行期间入选天津市“131”创新型人才培养工程。