Fysikere i Israel har printet et mikrooptisk element, der genererer en snoet Bessel-stråle på enden af en optisk fiber. Polymerenheden består af en parabollinse til lyskollimation og et spiralformet aksikon, der vrider lyset. Ifølge forskerne viser deres arbejde, hvordan elementer, der kan generere sofistikerede stråleformer, kan integreres i optiske fibre. Sådanne enheder kunne give skræddersyede lysstråler til en række optiske teknologier.
En bred vifte af applikationer – herunder kommunikation, registrering og billeddannelse, for eksempel – er afhængige af optiske fibre. Lys, der forlader disse fibre, manipuleres og styres normalt ved hjælp af store optiske elementer. Mikrooptik ses som en måde at reducere størrelsen af disse elementer, udvide deres funktion og reducere omkostningerne. At integrere dem direkte på optiske fibre kunne være særligt fordelagtigt.
At forme lys til Bessel-stråler, en type snoet lys, der bærer kredsløbsvinkelmomentum, er fordelagtig på grund af deres modstand mod diffraktion og store fokusdybde. Disse er lovende egenskaber til forskellige applikationer såsom optisk pincet og materialebehandling.
"Evnen til at skabe en Bessel-stråle direkte fra en optisk fiber kunne bruges til partikelmanipulation eller fiberintegreret stimuleret emissionsudtømningsmikroskopi, en teknik, der producerer superopløsningsbilleder," forklarer Shlomi Lightman, på Soreq Nuklear Forskningscenter.
Bessel-stråler skabes ofte ved at fokusere en Gauss-stråle gennem en kegleformet linse kendt som et aksikon. Selvom komplekse optiske elementer som aksikoner er blevet tilføjet til optiske fibre før, siger Lightman og kolleger, at fremstillingsprocesserne er udfordrende. For at forenkle processen og reducere fremstillingstiden vendte de sig til 3D direkte laserskrivning (3D-DLW).
I 3D-DLW polymeriseres et lysfølsomt materiale via en to-foton absorptionsproces ved hjælp af en femtosekund laser. Da kun de bittesmå områder, hvor to-foton-absorption forekommer, bliver solide, muliggør teknikken skabelsen af højopløselige 3D-elementer.
Holdet printede en 110 µm høj optisk enhed med en diameter på 60 µm på enden af en optisk fiber. Enheden inkluderede en parabollinse med en brændvidde på 27 µm og et aksikon med en kegle med en radius på 30 µm og en højde på 23 µm. Den parabolske linse blev designet til at justere det bredt diffrakterede lys fra fiberen og fokusere det ind i det spiralformede aksikon. Aksikonet havde en spiralformet struktur designet til at tilføje orbital vinkelmomentum til lyset.
Da enheden var udskrevet, en proces, der tog omkring fire minutter, splejsede forskerne fiberen, der indeholdt den mikro-optiske enhed, til en fiberlaser. De testede derefter dens ydeevne ved hjælp af et specialbygget optisk målesystem.
De fandt ud af, at enheden genererede en Gauss-Bessel-stråle med en indledende bredde på 10 µm. Langs en 2 mm afstand udvidede dette sig til en bredde på 30 µm. Ifølge forskerne vil en gaussisk stråle med identisk begyndelsesbredde nå en bredde på 270 µm over samme afstand, hvilket viser, at strålen produceret af deres enhed er en diffraktionsfri stråle.
Lysstrålen produceret af det mikro-optiske element viste sig også at have en orbital vinkelmomentværdi på 1 ħ per foton, som forventet. Den indkommende laserstråle havde ingen orbital vinkelmomentum.
Nye enheder producerer og registrerer snoet lys
Da enheden blev printet fra organiske lysfølsomme polymerer, var forskerne bekymrede for, at den kunne lide laser-induceret skade og begrænset mekanisk stabilitet over tid. Da de gradvist øgede lasereffekten til en maksimal optisk tæthed på 3.8 MW/cm2 der var ingen tydelig indvirkning på bjælkeegenskaberne. De eksperimenterer nu med denne 3D-DLW-metode på hybride lysfølsomme materialer, der indeholder en lav procentdel polymer. Optiske elementer printet af sådanne materialer kunne have længere holdbarhed og være mere modstandsdygtige over for høje lasereffekter, siger de.
Holdet bemærker, at denne laserprintteknik også kan bruges til andre optiske enheder. "Vores fremstillingsmetode kunne også bruges til at opgradere en billig linse til en smart linse af højere kvalitet ved at printe en smart lille struktur på den," siger Lightman.
Forskerne rapporterer deres resultater i Optik bogstaver.
