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摘要： 首先介绍了轴对称偏振光束的基本概念以及特性，然后以少模光纤为模式转换器，通过旋转偏振控制器上光纤挤压器的旋钮对光纤中间部分施加压力，同时配合旋转光纤挤压器，以实验的方式获得了不同模式的轴对称偏振光束。通过调节偏振控制器以及输入光束和光纤的离轴状态，分别得到了径向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇数混合偏振HEodd21模式，偶数混合偏振HEeven21模式，以及线偏振HE11模式五种光纤所激发的模式。同时，还通过干涉实验中叉形光栅结构证明了相位奇点的存在。 关键词： 轴对称偏振光束； 少模光纤； 偏振控制器； 相位奇点
中图分类号： O 436.3 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.007
Formation of axially symmetric polarized beams using few-mode fiber
YANG Kaige1， GENG Tao2
（1.Shanghai Key Lab of Modern Optical System， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；
2.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）
Abstract：
This paper first introduces the basic concept and features of axially symmetric polarized beams.A few-mode fiber is used as the mode converter.Pressure is added to the middle part of the fiber by spinning the knob of fiber squeezer of polarization controller.By coupling with rotating fiber squeezer，different mode of axially symmetric polarized beams was obtained in the experiment.By adjusting the polarization controller and the off-axis conditions of the input beam and fiber，the radially polarized TM01 mode，azimuthally polarized TE01 mode，odd hybrid polarized HEodd21mode，even hybrid polarized HEeven21 mode，and linearly polarized two-lobe mode were separately excited at five different accommodative status.We also checked the existence of phase singularity through the fork grating structure in the interfere experiment simultaneously.
Keywords： axially symmetric polarized beams； few-mode fiber； polarization controller； phase singularity
引 言
轴对称偏振光束[1]，不同于常规的均匀偏振光，其偏振态在光束横截面内呈对称分布，且光斑中心具有螺旋状的波前相位结构，被称为相位奇点，使得中心处的光强为零，形成类似于“甜甜圈”的光强分布。因其独特的光学性质，此类光束在经高数值孔径透镜聚焦后，其焦点处光场会在光束轴向形成一个很强的电场分量[2]，且焦点处光斑直径比空间偏振态均匀分布的光束（如线偏振光）的光斑直径要小[3]。近年来，轴对称偏振光束独特性质引起了研究者广泛的兴趣，也在诸多领域得到应用，例如捕捉和操纵金属粒子[4]、材料加工[5]、超分辨显微成像[6]、提高存储密度[7]等方面。
目前，实验上获得轴对称偏振光束的方法虽然很繁多，但通常可分为主动方式和被动方式两类。前者主要将一些偏振选择性的光学元件，如双锥型棱镜[8]、光子晶体光栅[9]、双折射晶体[10]放入激光谐振腔内，使激光束以特定的模式振蕩输出；后者则将高斯光通过一些偏振或相位转化器件直接获得目标光束，其转化器件包括组合半波片[11]、少模光纤[12]、空间相位调制器[13]以及亚波长光栅[14]。其中，将激光耦合进光导纤维获得轴对称偏振光束的方式，因其操作简单，稳定性高以及成本低等特点吸引了越来越多科研人员的关注。在该方案中，通常选用少模光纤作为耦合介质，在其工作波长上光纤中可以传输少数横模，文中涉及的少模光纤包含线偏型的基模（HE11）和两阶模的四种简并模式（径向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇数混合偏振HEodd21模式，偶数混合偏振HEeven21模式），对应的归一化频率范围为2.405 1 实验设计
本实验的主要实验设计部分如图1所示。光源为线偏型的氦氖激光器，在其后放置一个偏振分束器（PBS）将入射光分成偏振态相互垂直的两束光，从偏振分束器透射的光束被一个数值孔径NA=0.25的显微透镜L1聚焦后耦合进一根长80 cm的光纤（康宁HI1060），其归一化频率在所选用激光器的632 nm波段下为3.496，因为少模光纤（FMF）仅支持基模和二阶模的传输。光纤前端被固定在一个三维调节平台上，可以精确调节入射光和光纤之间的俯仰角以及光纤前端点到显微透镜L1的距离。光纤在通过一个偏振控制器（索雷博 PLC900）后，出射光束被一个数值孔径NA=0.4的显微透镜L2准直后穿过非偏振型分束器（NPBS），然后被大恒光电公司生产的DHHV2002UC型CCD传感器（分辨率为1 600×1 200）采集后将图像传入电脑。为了检测光纤后端输出光束的偏振态，在L2和NPBS之间放入了一个可旋转的偏振片。为了检测输出光束中心是否存在相位奇点，将由PBS反射的光束分别经过反射镜M1、M2，然后被NPBS反射后和输出光束形成干涉。 2 结果和分析
实验开始时，首先让入射的高斯光束以最佳的角度耦合进入光纤，然后调节入射光和光纤之间的俯仰角以及两者的距离，旋转偏振控制器上光纤挤压器的旋钮给光纤中间部分施加压力，同时配合旋转光纤挤压器，在一个特定的状态下会激发一种特定的光纤模式。
图2第一列所示的五幅图表示的是，在输入光源为线偏激光时，在五个特定的调节状态下所激发的五种不同的光纤模式的强度分布图。第二列到第五列表示的是与之相对应的光纤模式在经过检偏器后的强度分布，其中白色箭头的方向为检偏器的偏振轴方向。图2（a2）～（a5）是经过检偏器的强度分布图，这些两叶状图案中间的空行方向都和相应的检偏器的偏振轴向相互垂直，这表明其所激发的光纤模式为径向偏振TM01。图2（b2）～（b5）的两叶状图案中间的空行方向都和相应的检偏器的偏振轴向相互平行，表明其所激发的光纤模式为角向偏振TE01。从图2（c2）～（c5）和图2（d2）～（d5）中发现，随着检偏器的偏振轴向顺时针旋转时，与之相应的两叶状图案却在逆时针旋转，这与混合偏振态的特征一致。图2（c1）～（c6）中发现，在横向和纵向有径向偏振态的特征，而斜向有角向偏振态的特征，表明其为奇数混合偏振HEodd21；图2（d1）～（d6）中的特征分布刚好与之相反，横向和纵向有角向偏振态的特征，而斜向有径向偏振态的特征，表明其为偶数混合偏振HEeven21。图2（e1）～（e6）发现，随着检偏器的偏振轴做顺时针旋转时，其两叶状图案表现出明暗变化，并且其偏振方向平行于图案中间的空行方向，表明其为线偏型的基模HE11。
图2第六列表示对应激发模式的偏振态分布。我们发现，在光纤输入端为线偏型高斯光时，通过调节输入端的离轴状态以及对光纤中部施加应力以及旋转扭曲可以获得的光纤模式有径向偏振TM01模式， 角向偏振TE01模式，奇数混合偏振HEodd21模式，偶数混合偏振HEeven21模式和线偏型基模HE11。
为了验证激发的光纤模式中是否存在相位奇点，光纤末端的输出光束直接与输入的线偏光束干涉。
图3（a1）～（a5）五幅图依次为图2中第一列（a1）～（e1）少模光纤中所激发的五种模式，图3（b1）～（b5）为各自与输入线偏光束的干涉图样。其中，图3（b1）～（b4）四幅干涉图中央存在的叉形光栅的结构意味着在这些输出模式中存在相位奇点[15]，图3（b5）线偏型基模中则没有类似的叉形结构。
3 总 结
利用少模光纤作为模式转换器，通过挤压和旋转光纤的方式可获得含有相位奇点的矢量偏振光束。实验表明，将线偏激光束耦合到少模光纤中为光纤模式的选择性激发提供了一个理想的平台。最后，干涉实验也说明了那些空间偏振态分布不均一的激发模式中总伴有相位奇点的存在。
参考文献：
[1] ZHAN Q W.Cylindrical vector beams：From mathematical concepts to applications[J].Advances in Optics and Photonics，2009，1（1）：157.
[2] YOUNGWORTH K S，BROWN T G.Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams[J].Optics Express，2000，7（2）：7787.
[3] QUABIS S，DORN R，EBERLER M，et al.Focusing light to a tighter spot[J].Optics Communications，2000，179（1/2/3/4/5/6）：17.
[4] ZHAN Q W.Trapping metallic Rayleigh particles with radial polarization[J].Optics Express，2004，12（15）：33773382.
[5] MEIER M，ROMANO V，FEURER T.Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation[J].Applied Physics A，2007，86（3）：329334.
[6] LU F K，ZHENG W，HUANG Z W.Coherent anti-stokes raman scattering microscopy using tightly focused radially polarized light[J].Optics Letters，2009，34（12）：18701872.
[7] KIM W C，PARK N C，YOON Y J，et al.Investigation of near-field imaging characteristics of radial polarization for application to optical data storage[J].Optical Review，2007，14（4）：236242.
[8] LI J L，UEDA K I，MUSHA M，et al.Generation of radially polarized mode in Yb fiber laser by using a dual conical prism[J].Optics Letters，2006，31（20）：29692971.
[9] LI J L，UEDA K I，MUSHA M.Efficient excitations of radially and azimuthally polarized Nd3+：YAG ceramic microchip laser by use of subwavelength multilayer concentric gratings composed of Nb2O5/SiO2[J].Optics Express，2008，16（14）：1084110848.
[10] POHL D.Operation of a ruby-laser in the purely transverse electric mode TE01[J].Applied Physics Letters，1972，20（7）：266267.
[11] MACHAVARIANI G，LUMER Y，MOSHE I，et al.Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized beams[J].Optics Letters，2007，32（11）：14681470.
[12] FANG Z Q，YAO Y，XIA K G，et al.Vector mode excitation in few-mode fiber by controlling incident polarization[J].Optics Communications，2013，294：177181.
[13] BEVERSLUIS M R，NOVOTNY L，STRANICK S J.Programmable vector point-spread function engineering[J].Optics Express，2006，14（7）：26502656.
[14] BOMZON Z，BIENER G，KLEINER V，et al.Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectric subwavelength gratings[J].Optics Letters，2002，27（5）：285287.
[15] 劉永欣，陈子阳，蒲继雄.涡旋光束经叉形光栅的衍射特性[J].中国激光，2011，38（3）：302012.
中图分类号： O 436.3 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.007
Formation of axially symmetric polarized beams using few-mode fiber
YANG Kaige1， GENG Tao2
（1.Shanghai Key Lab of Modern Optical System， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；
2.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）
Abstract：
This paper first introduces the basic concept and features of axially symmetric polarized beams.A few-mode fiber is used as the mode converter.Pressure is added to the middle part of the fiber by spinning the knob of fiber squeezer of polarization controller.By coupling with rotating fiber squeezer，different mode of axially symmetric polarized beams was obtained in the experiment.By adjusting the polarization controller and the off-axis conditions of the input beam and fiber，the radially polarized TM01 mode，azimuthally polarized TE01 mode，odd hybrid polarized HEodd21mode，even hybrid polarized HEeven21 mode，and linearly polarized two-lobe mode were separately excited at five different accommodative status.We also checked the existence of phase singularity through the fork grating structure in the interfere experiment simultaneously.
Keywords： axially symmetric polarized beams； few-mode fiber； polarization controller； phase singularity
引 言
轴对称偏振光束[1]，不同于常规的均匀偏振光，其偏振态在光束横截面内呈对称分布，且光斑中心具有螺旋状的波前相位结构，被称为相位奇点，使得中心处的光强为零，形成类似于“甜甜圈”的光强分布。因其独特的光学性质，此类光束在经高数值孔径透镜聚焦后，其焦点处光场会在光束轴向形成一个很强的电场分量[2]，且焦点处光斑直径比空间偏振态均匀分布的光束（如线偏振光）的光斑直径要小[3]。近年来，轴对称偏振光束独特性质引起了研究者广泛的兴趣，也在诸多领域得到应用，例如捕捉和操纵金属粒子[4]、材料加工[5]、超分辨显微成像[6]、提高存储密度[7]等方面。
目前，实验上获得轴对称偏振光束的方法虽然很繁多，但通常可分为主动方式和被动方式两类。前者主要将一些偏振选择性的光学元件，如双锥型棱镜[8]、光子晶体光栅[9]、双折射晶体[10]放入激光谐振腔内，使激光束以特定的模式振蕩输出；后者则将高斯光通过一些偏振或相位转化器件直接获得目标光束，其转化器件包括组合半波片[11]、少模光纤[12]、空间相位调制器[13]以及亚波长光栅[14]。其中，将激光耦合进光导纤维获得轴对称偏振光束的方式，因其操作简单，稳定性高以及成本低等特点吸引了越来越多科研人员的关注。在该方案中，通常选用少模光纤作为耦合介质，在其工作波长上光纤中可以传输少数横模，文中涉及的少模光纤包含线偏型的基模（HE11）和两阶模的四种简并模式（径向偏振TM01模式，角向偏振TE01模式，奇数混合偏振HEodd21模式，偶数混合偏振HEeven21模式），对应的归一化频率范围为2.405
本实验的主要实验设计部分如图1所示。光源为线偏型的氦氖激光器，在其后放置一个偏振分束器（PBS）将入射光分成偏振态相互垂直的两束光，从偏振分束器透射的光束被一个数值孔径NA=0.25的显微透镜L1聚焦后耦合进一根长80 cm的光纤（康宁HI1060），其归一化频率在所选用激光器的632 nm波段下为3.496，因为少模光纤（FMF）仅支持基模和二阶模的传输。光纤前端被固定在一个三维调节平台上，可以精确调节入射光和光纤之间的俯仰角以及光纤前端点到显微透镜L1的距离。光纤在通过一个偏振控制器（索雷博 PLC900）后，出射光束被一个数值孔径NA=0.4的显微透镜L2准直后穿过非偏振型分束器（NPBS），然后被大恒光电公司生产的DHHV2002UC型CCD传感器（分辨率为1 600×1 200）采集后将图像传入电脑。为了检测光纤后端输出光束的偏振态，在L2和NPBS之间放入了一个可旋转的偏振片。为了检测输出光束中心是否存在相位奇点，将由PBS反射的光束分别经过反射镜M1、M2，然后被NPBS反射后和输出光束形成干涉。 2 结果和分析
实验开始时，首先让入射的高斯光束以最佳的角度耦合进入光纤，然后调节入射光和光纤之间的俯仰角以及两者的距离，旋转偏振控制器上光纤挤压器的旋钮给光纤中间部分施加压力，同时配合旋转光纤挤压器，在一个特定的状态下会激发一种特定的光纤模式。
图2第一列所示的五幅图表示的是，在输入光源为线偏激光时，在五个特定的调节状态下所激发的五种不同的光纤模式的强度分布图。第二列到第五列表示的是与之相对应的光纤模式在经过检偏器后的强度分布，其中白色箭头的方向为检偏器的偏振轴方向。图2（a2）～（a5）是经过检偏器的强度分布图，这些两叶状图案中间的空行方向都和相应的检偏器的偏振轴向相互垂直，这表明其所激发的光纤模式为径向偏振TM01。图2（b2）～（b5）的两叶状图案中间的空行方向都和相应的检偏器的偏振轴向相互平行，表明其所激发的光纤模式为角向偏振TE01。从图2（c2）～（c5）和图2（d2）～（d5）中发现，随着检偏器的偏振轴向顺时针旋转时，与之相应的两叶状图案却在逆时针旋转，这与混合偏振态的特征一致。图2（c1）～（c6）中发现，在横向和纵向有径向偏振态的特征，而斜向有角向偏振态的特征，表明其为奇数混合偏振HEodd21；图2（d1）～（d6）中的特征分布刚好与之相反，横向和纵向有角向偏振态的特征，而斜向有径向偏振态的特征，表明其为偶数混合偏振HEeven21。图2（e1）～（e6）发现，随着检偏器的偏振轴做顺时针旋转时，其两叶状图案表现出明暗变化，并且其偏振方向平行于图案中间的空行方向，表明其为线偏型的基模HE11。
图2第六列表示对应激发模式的偏振态分布。我们发现，在光纤输入端为线偏型高斯光时，通过调节输入端的离轴状态以及对光纤中部施加应力以及旋转扭曲可以获得的光纤模式有径向偏振TM01模式， 角向偏振TE01模式，奇数混合偏振HEodd21模式，偶数混合偏振HEeven21模式和线偏型基模HE11。
为了验证激发的光纤模式中是否存在相位奇点，光纤末端的输出光束直接与输入的线偏光束干涉。
图3（a1）～（a5）五幅图依次为图2中第一列（a1）～（e1）少模光纤中所激发的五种模式，图3（b1）～（b5）为各自与输入线偏光束的干涉图样。其中，图3（b1）～（b4）四幅干涉图中央存在的叉形光栅的结构意味着在这些输出模式中存在相位奇点[15]，图3（b5）线偏型基模中则没有类似的叉形结构。
3 总 结
利用少模光纤作为模式转换器，通过挤压和旋转光纤的方式可获得含有相位奇点的矢量偏振光束。实验表明，将线偏激光束耦合到少模光纤中为光纤模式的选择性激发提供了一个理想的平台。最后，干涉实验也说明了那些空间偏振态分布不均一的激发模式中总伴有相位奇点的存在。
参考文献：
[1] ZHAN Q W.Cylindrical vector beams：From mathematical concepts to applications[J].Advances in Optics and Photonics，2009，1（1）：157.
[2] YOUNGWORTH K S，BROWN T G.Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams[J].Optics Express，2000，7（2）：7787.
[3] QUABIS S，DORN R，EBERLER M，et al.Focusing light to a tighter spot[J].Optics Communications，2000，179（1/2/3/4/5/6）：17.
[4] ZHAN Q W.Trapping metallic Rayleigh particles with radial polarization[J].Optics Express，2004，12（15）：33773382.
[5] MEIER M，ROMANO V，FEURER T.Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation[J].Applied Physics A，2007，86（3）：329334.
[6] LU F K，ZHENG W，HUANG Z W.Coherent anti-stokes raman scattering microscopy using tightly focused radially polarized light[J].Optics Letters，2009，34（12）：18701872.
[7] KIM W C，PARK N C，YOON Y J，et al.Investigation of near-field imaging characteristics of radial polarization for application to optical data storage[J].Optical Review，2007，14（4）：236242.
[8] LI J L，UEDA K I，MUSHA M，et al.Generation of radially polarized mode in Yb fiber laser by using a dual conical prism[J].Optics Letters，2006，31（20）：29692971.
[9] LI J L，UEDA K I，MUSHA M.Efficient excitations of radially and azimuthally polarized Nd3+：YAG ceramic microchip laser by use of subwavelength multilayer concentric gratings composed of Nb2O5/SiO2[J].Optics Express，2008，16（14）：1084110848.
[10] POHL D.Operation of a ruby-laser in the purely transverse electric mode TE01[J].Applied Physics Letters，1972，20（7）：266267.
[11] MACHAVARIANI G，LUMER Y，MOSHE I，et al.Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized beams[J].Optics Letters，2007，32（11）：14681470.
[12] FANG Z Q，YAO Y，XIA K G，et al.Vector mode excitation in few-mode fiber by controlling incident polarization[J].Optics Communications，2013，294：177181.
[13] BEVERSLUIS M R，NOVOTNY L，STRANICK S J.Programmable vector point-spread function engineering[J].Optics Express，2006，14（7）：26502656.
[14] BOMZON Z，BIENER G，KLEINER V，et al.Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectric subwavelength gratings[J].Optics Letters，2002，27（5）：285287.
[15] 劉永欣，陈子阳，蒲继雄.涡旋光束经叉形光栅的衍射特性[J].中国激光，2011，38（3）：302012.