光纖結構光場的應用前景
近年來，空間結構光場引起了國內外研究者們的廣泛關注，並迅速發展成為光學領域的一個研究熱點。空間結構光場由於具有特殊的相位及偏振態分佈特性，在精密測量、超分辨成像、微粒操控、非線性光學、量子光學及大容量光通信等領域有著重要的研究價值和廣闊的應用前景。
一般地，可將空間結構光場分為兩類：一類是自由空間結構光場，另一類是光纖結構光場。
與自由空間結構光場相比，光纖結構光場的產生受邊界條件嚴格約束，結構光場的類型非常有限，但是光纖結構光場也具有一些無可比擬的優勢。例如，不同波長、強度/偏振態分佈的結構光場在光纖中自然同軸傳輸時，可大大提高受激發射耗損(STED)熒光顯微成像照明光源的同軸性及環境穩定性；光纖傳輸損耗低，將光纖結構光場作為光纖通信系統的一個新自由度，可極大地提高遠距離光纖通信系統的信息傳輸容量；光纖結構光場在光纖內部傳輸，當其用於激發光纖端面集成的金屬針尖時，既可實現高功率密度納米聚焦光源產生，也可消除遠場激發的背景雜訊，其在高分辨光譜學測量方面具有非常重要的應用價值。
STED成像
STED熒光顯微成像使用兩束不同波長、不同能量分佈且嚴格共軸的激光，一束為高斯光束，用作激發光；另一束為環狀光束，用作損耗光。
激發光使艾裏斑範圍內的熒光分子被激發，其電子從基態躍遷到激發態。損耗光使激發光斑外圍的激發態分子以受激輻射的方式回到基態，而位於激發光斑內部區域的激發態分子則不受損耗光的影響，仍以自發熒光方式回到基態。此同軸照明方式可將自發熒光區域限制在小於艾裏斑的區域內，極大地提高了成像解析度，並在生物醫學等領域得以廣泛應用。
常規STED照明光源利用體光學器件在自由空間搭建，為了確保激發光與損耗光高度同軸，需要苛刻的雙光束同軸校準過程，系統穩定性易受外界環境影響。而光纖中不同波長和不同強度分佈的兩束光自然同軸，無需苛刻的雙光束同軸校準過程，且不易受外界環境影響，在構建STED照明光源方面非常便捷。
長距離、大容量光纖OAM通信
目前，OAM通信引起了國內外研究者們的廣泛關注。光波的振幅、相位、偏振、波長和時間維度作為光纖通信系統的自由度，已經被廣泛地用來增加光纖通信系統的信息傳輸容量。光纖OAM光束用作光纖通信系統的一個新自由度，可以進一步提高光纖通信系統的信息傳輸速率。
2013年，美國波士頓大學的Bozinovic等利用可實現簡併矢量模式高度分離的渦旋光纖，將OAM光束作為光纖通信系統的一個新自由度，搭建了OAM光纖通信系統，在1.1 km長的渦旋光纖中實現了1.6 Tbit/s的信息傳輸，該研究工作為OAM光束用於長距離、大容量光纖通信提供了實驗基礎。隨後，國內外的眾多研究者在光纖OAM和光纖柱矢量光通信方面開展了大量研究工作，如華中科技大學Li S H等和中山大學Li J P等，增大了光纖通信系統的傳輸距離和容量。
等離子針尖納米聚焦
等離子體針尖納米聚焦可打破常規光學系統衍射極限，將光能量局域在針尖尖端納米尺度範圍內，其在針尖增強拉曼光譜學及納米非線性光譜學領域具有重要的應用價值。通常情況下，利用激發光遠場照明金屬針尖實現針尖尖端等離子體納米聚焦，但激發光的聚焦光斑尺寸遠大於金屬針尖，在激發金屬針尖實現納米聚焦的同時，還會產生很大的背景雜訊，這將降低針尖拉曼/納米非線性光譜檢測系統的靈敏度和解析度。
2015年，德國耶拿大學的Tugchin等提出利用光纖徑向偏振矢量光場內激發鍍金屬膜光纖針尖，既可實現等離子針尖納米聚焦，又可消除遠場激發背景雜訊。該結果表明鍍金屬膜針尖尖端納米聚焦光源具有徑向偏振分佈特性。
非線性頻率轉換
光纖中的受激拉曼散射(SRS)效應是非線性光纖光學領域的重要研究熱點之一。利用SRS效應可以構建光纖拉曼激光器及光纖拉曼放大器，二者在光纖通信領域具有重要的應用價值。此外，光纖通信系統中的SRS效應產生的新頻率成分，會導致光纖通信系統的信道功率分配失衡，從而降低通信系統的信息承載容量。光纖通信系統中，雖然光纖結構光場作為一個新自由度，可以極大地提高系統的信息承載容量，然而，結構光場在光纖中長距離傳輸時引起的SRS效應對通信系統數據傳輸的影響並不清楚，因此對空間結構光場在光纖中傳輸時引起的SRS效應的研究顯得至關重要。
美國波士頓大學的Ramachandran等利用實驗裝置在渦旋光纖中產生了納秒徑向偏振矢量光場(1064 nm，22 ns，10 Hz)，並測量了納秒徑向矢量光場在100 m長的渦旋光纖中傳輸時SRS光譜強度與抽運脈衝功率之間的關係。隨著抽運功率的增加，可清晰地觀察到頻率間隔約為13 THz的斯托克斯譜線。抽運光、一階和二階斯托克斯譜線的光譜及相應的橫向模場強度分佈的偏振態檢測結果顯示，一階和二階斯托克斯譜線的橫向環狀模場強度分佈依然保持徑向偏振分佈特性。
展望
光纖結構光場作為光場調控的一個重要分支，在諸多領域引起廣泛關注。截至目前，研究者們在光纖結構光場的產生機理和方法等方面開展了大量工作，並取得了一系列研究進展；此外，基於結構光場在光纖中長距離、同軸及穩態傳輸等特性，研究者們在STED成像、光纖渦旋光通信、無背景納米聚焦光源產生和非線性頻率轉換等方面開展了一系列探索。經過十幾年堅持不懈的努力，光纖結構光場調控得以長足發展，但仍有許多問題亟待解決。
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光纖結構光場分束/合束。光纖中能量的分束/合束是構建全光纖通信系統的關鍵，常規光纖耦合器利用單模光纖製備，基於錐形光纖的倏逝波耦合，即可實現光纖能量分束。然而，光纖結構光場是高階矢量模式，其只能在少模光纖中傳輸，若要實現光纖結構光場的分束/合束，需要在實現能量分束/合束的同時，還要確保耦合到其他光纖中的能量仍然與原有光場保持相同的相位和偏振分佈，該部分研究工作尚缺乏理論和實驗支持。
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支持結構光場穩態傳輸的少模光纖製備。光纖結構光場大都利用常規少模光纖產生，此類光纖通過增加纖芯直徑以提高支持傳輸的矢量模式數，但其不能實現簡併矢量模式的有效分離。雖然利用此類光纖可實現結構光場產生，但由於同組高階矢量模式的有效折射率非常接近，光纖結構光場的相位/偏振分佈易受外界擾動影響。此外，雖然已有研究工作報道利用渦旋光纖實現了長距離、大容量光通信，但此類光纖只能實現第一組高階簡併矢量模式的有效分離，不支持更高階簡併矢量模式的傳輸及有效分離。而支持更高階簡併矢量模式有效分離及穩態傳輸的少模光纖的製備，必將極大地提高光纖模分復用系統的信息傳輸容量。
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光纖結構光場的精準波長操控。光纖結構光場產生主要集中在通信波段展開，通過調諧激光波長雖然可以滿足光柵的波矢匹配條件，以實現光纖結構光場產生，但許多後續應用，如STED成像、無背景納米聚焦光源等，都需在特定波長實現光纖結構光場的高效產生。目前，已有的製備方法只能寫制週期固定的光柵結構，缺乏實現特定波長結構光場產生的能力。因此需要找到更合適的方法或者提高現有光柵製備工藝，以實現光纖結構光場的精準波長操控。
總之，光纖結構光場調控尚有許多問題亟待解決，相關理論及技術的突破，不但能夠豐富光纖結構光場調控的手段，也能極大地促進其在生物光子學、大容量光纖通信、納米光子學和非線性光譜學等領域中的應用。
作者：
張文定 1, 2 , 李鑫 1, 2 , 白家浩 1, 2 , 張錄 1, 2 , 梅霆 1, 2 , 趙建林 1
1西北工業大學理學院陝西省光信息技術重點實驗室
2西北工業大學理學院超常條件材料物理與化學教育部重點實驗室
文獻：
張文定,李鑫,白家浩,張錄,梅霆,趙建林 光纖結構光場產生及應用[J]. 光學學報, 2019, 39(1): 126003
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