Helisk snoede fotoniske krystalfibre

Fotoniske krystalfibre (PCF) er glaspartier, ikke meget tykkere end et menneskehår, med et gitter af hule kanaler, der løber langs fiberen. Hvis de løbende vrides i deres produktion, de ligner en multi-helix. Twisted PCF'er viser nogle fantastiske funktioner, fra cirkulær dobbeltbrydning til bevarelse af vinkelmomentet. Den største overraskelse, imidlertid, er selve den robuste lysstyring, uden synlig fiberkerne. Grundlaget for dette er kræfter, som som gravitation, er baseret på rumets krumning.

Kirale materialer består af mange identiske enheder (molekyler eller nanostrukturerede elementer), der enten er tilfældigt orienteret i løsning eller arrangeret på en ordnet måde. De er allestedsnærværende i naturen - f.eks. de fleste biologiske molekyler findes i højre- og venstrehåndede former-og finder et stigende antal anvendelser inden for videnskab og teknologi. Snoet fotonisk krystalfiber (t-PCF), i modsætning, består af en enkelt enaksial chiral enhed, der er uendeligt forlænget i den tredje dimension - vridningens retning. Selve PCF består typisk af et sekskantet array af hule mikrokanaler, der løber langs længden af ​​en glasfiber ~ 100 µm tyk, så den ved vridning ligner en "multi-helix" af spiralformede mikrokanaler omkring en central akse (fig. 1 (a)).

I løbet af de sidste år har vi studeret lysets adfærd i en række forskellige typer t-PCF, i processen afdække nogle overraskende fænomener og udforske potentielle applikationer.

Vi bruger to teknikker til fremstilling af t-PCF. Først og fremmest, en untwisted PCF efterbehandles under CO2-laseropvarmning, fiberen er monteret mellem et motoriseret rotationstrin og en stiv understøtning (fig. 2 (a)). Når motoren roterer, den fokuserede 10 µm laserstråle scannes langs fiberen ved hjælp af et styrespejl, der er fastgjort til et præcisionsmotoriseret oversættelsestrin. Når målvridningsperioden og prøvelængden er indstillet, lasereffekten og scanningshastigheden vælges for at opvarme fiberen til glasblødgøringstemperaturen. Skriveprocessen er computerstyret og er i stand til at opnå twist-perioder så korte som 300 μm. Den anden teknik indebærer at spinde glassets præform under fibertegning, ved hjælp af en motor, der roterer med et par tusinde omdr./min. og en roterende samling med flere indløb til styring af trykket inde i de hule kanaler (fig. 2 (b)). Det har den fordel, at lange længder (100s meter) af spiralformet PCF med twist -perioder på et par millimeter let kan fremstilles.

Topologiske virkninger

Udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger i spiralformede strukturer begyndte for alvor i 1940'erne, med opfindelsen af ​​vandringsbølgerørforstærkeren. I denne enhed ledes et mikrobølgesignal langs en spiralformet tråd, der spiraler rundt om en aksialt udbredende elektronstråle. Da den fysiske afstand, som det spiralformede mikrobølgesignal bevæger sig over, er længere end afstanden direkte langs aksen, dets gruppe- og fasehastigheder reduceres begge effektivt. Ved passende design kan hastighedsforskellen mellem de to bølger justeres, tillader mikrobølgesignalet at blive forstærket med strøm fra elektronstrålen. På lignende måde, den geometriske strækning af beklædningsstrukturen i en t-PCF forårsager den effektive optiske sti-længde langs aksen, og dermed det effektive brydningsindeks, for at øge topologisk med radius ρ efter forholdet neff (ρ) =n0 (1 + α2ρ2) 1/2, hvor n0 er indekset i det uvirkede tilfælde og α twist rate i rad/m (se figur 1 (b)) .

Spektrale dips i t-PCF med enkelt kerne

Denne topologiske effekt gør det f.eks. Muligt at fasematche lys, der ledes i en central massiv glaskerne (modalindeks nc) til den grundlæggende rumfyldningsfunktion i beklædningen (faseindeks nSM i den snoede fiber) med det resultat, at lys kan sive ud i beklædningstilstande ved bestemte bølgelængder. Dette resulterer i en række fald i transmissionsspektret, forårsaget af antikrydsninger mellem kernetilstanden og utætte ringformede beklædningstilstande (fig. 1 (c)), der bærer orbital vinkelmoment (OAM), hver dip svarer til en anden OAM -ordre. Da beklædningslyset afledes af de hule kanaler til en spiralbane, den azimutale komponent i sin bølgevektor skal tage værdier, der giver et fase-fremskridt, der er et heltal af 2π, hvor er OAM -ordren. Dette fører til tilstanden:

(ℓ λℓ) / (2π) =n _az ρ =n _SM ρ sinΨ ≈ n _SM α ρ2 (1)

hvor er OAM -ordenens dip -bølgelængde, naz den azimutale komponent i brydningsindekset, og den lokale vinkel mellem de hule kanaler og fiberaksen. Eq. (1) giver en bemærkelsesværdig god overensstemmelse med eksperimentelle målinger, viser især, at dipbølgelængderne skaleres lineært med twisthastigheden. Vi har brugt twist og stamme følsomheden af ​​disse dips til at konstruere en helt optisk twist-strain transducer.

Spirale Bloch -bølger

At forstå fysikken i lysudbredelse i t-PCF er ret udfordrende, fordi det naturlige koordinatsystem-helikoidalt-er ikke-ortogonalt. Dette fik os til at introducere et nyt koncept:spiralformede Bloch -bølger. De optiske Bloch -bølger for enhver uforvridet periodisk struktur er beskrevet af produktet af en periodisk funktion P (r) (med periodiciteter, der matcher strukturen) og et udtryk, der repræsenterer faseudviklingen af ​​Bloch -bølgen. Et praktisk fysisk billede af de tilstande, der er guidet i en t-PCF, kan konstrueres ved at generalisere Blochs sætning, så den azimutisk periodiske funktion følger vridningen, tager formen, hvor er den radiale koordinat og den azimutale vinkel. Ved en given værdi af z, P vil gentage med vinkelintervaller, hvor N er antallet af gange strukturen gentager sig over en omdrejning 2π. Bloch -bølgerne kan derefter beregnes analytisk ved hjælp af en ekspansion i form af azimutale harmoniske af OAM -orden. Ved at erstatte dette felt Ansatz i Maxwells ligninger gør det muligt at udlede dispersionsforholdet.

For at udforske egenskaberne ved spiralformede Bloch -bølger, vi fremstillede en t-PCF med en ring af seks "satellit" -kerner i massivt glas omkring sin akse (fig. 3 (a)). De hule kanaler havde en diameter på 2 µm, 3 µm i afstand, og vridningshastigheden var 2,9 rad/mm. Denne struktur understøtter 6 ikke-degenererede spiralformede Bloch-tilstande med forskellige værdier af orbital vinkelmoment, i både venstre og højre cirkulært polariserede tilstande. For at bestemme OAM-rækkefølgen for de tilstande, der ledes gennem t-PCF, output blev overlejret på en divergerende gaussisk stråle og det resulterende randmønster afbildet ved hjælp af et CCD -kamera. Enkelt- og dobbeltspiral interferensmønstre i fig. 3 (b), som blev registreret ved en bølgelængde på 632,8 nm, bekræfte, at fiberen genererer optiske hvirvler og bevarer størrelsen og tegnet på OAM for alle fire tilstande. Lignende forsøg udført ved flere bølgelængder og for fibre op til 50 m lange har bekræftet, at t-PCF'erne bevarer størrelsen og tegnet på OAM.

Vejledning af lys i snoet rum

Vi har opdaget en ny mekanisme for lysvejledning, baseret på en t-PCF uden kerne. Kløvning af fiberen og undersøgelse af dens tværsnit afslører et fuldstændigt fravær af en struktur, hvor lys kunne fanges (se fig. 4 (a)). Ikke desto mindre understøtter det en guidet tilstand:Det spiralformede twist skaber en topologisk kanal inden for lys er robust fanget. Dette skyldes den kvadratiske stigning i optisk sti længde med radius (nævnt ovenfor), som producerer en radial gradient i aksialt brydningsindeks, skaber en potentiel brønd, inden for hvilken lys er begrænset af fotoniske båndgapeffekter. Ved hjælp af matematiske værktøjer fra generel relativitet, vi har vist, at lysets geodesik følger lukkede spiralveje inden for den topologiske kanal, danner tilstande, der bærer OAM. Det effektive område af disse tilstande falder med twist rate α, således at ved at variere twisthastigheden langs fiberen, det ville være muligt at oprette fibre, hvis tilstandsfeltdiameter ændres med positionen. I modsætning til konventionelle indeksstyrende fibre, hvor den guidede tilstand skifter mod ydersiden af ​​bøjningen ("normal sving"), denne meget usædvanlige tilstand skifter indad mod svinget ("anomalous cornering"). Hamiltonsk optik viser, at tilstanden kan ses at have negativ effektiv masse (forårsaget af det modsatte tegn på spredningsoverfladningens krumning), så den bevæger sig i den modsatte retning, når den udsættes for bøjningskræfter.

Konklusioner

T-PCFs evne til at generere og understøtte OAM-tilstande, samt tilvejebringelse af optisk aktivitet og cirkulær dikroisme, tyder på, at det kan blive nyttigt i mange applikationer. Serien med transmission dypes ved twist-tunable bølgelængder i solid-core PCF har applikationer i sensing og filtrering. Transmissionen og bevarelsen af ​​cirkulære polarisationstilstande gør t-PCF meget interessant for nuværende sensing baseret på Faraday-rotation. Dens evne til robust at overføre rene OAM -tilstande over lange afstande kan føre til applikationer inden for partikelmanipulation og telekommunikation. Det forekommer sandsynligt, at mange af disse effekter og fænomener vil flytte ind i virkelige applikationer i den nærmeste fremtid. Endnu uudforsket er brugen af ​​t-PCF i ikke-lineær optik og fiberlasere, hvor kombinationen af ​​cirkulær og OAM dobbeltbrydning med kontrol af spredningen af ​​gruppehastigheder kan tilbyde muligheder for nye former for mode-låste solitonlasere, bølgelængdekonverteringsenheder og superkontinuumkilder.