Physiker in Israel haben am Ende einer optischen Faser ein mikrooptisches Element gedruckt, das einen verdrehten Bessel-Strahl erzeugt. Das Polymergerät besteht aus einer Parabollinse zur Lichtkollimation und einem spiralförmigen Axikon, das das Licht verdreht. Den Forschern zufolge zeigen ihre Arbeiten, wie Elemente, die anspruchsvolle Strahlformen erzeugen können, in optische Fasern integriert werden können. Solche Geräte könnten maßgeschneiderte Lichtstrahlen für eine Vielzahl optischer Technologien liefern.
Eine Vielzahl von Anwendungen – darunter beispielsweise Kommunikation, Sensorik und Bildgebung – sind auf optische Fasern angewiesen. Das aus diesen Fasern austretende Licht wird normalerweise mithilfe großer optischer Elemente manipuliert und gelenkt. Mikrooptik gilt als Möglichkeit, diese Elemente zu verkleinern, ihre Funktion zu erweitern und Kosten zu senken. Besonders vorteilhaft könnte es sein, sie direkt auf Lichtwellenleitern zu integrieren.
Die Formung von Licht in Bessel-Strahlen, eine Art verdrehtes Licht, das einen Drehimpuls in der Umlaufbahn trägt, ist aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Beugung und ihrer großen Fokustiefe von Vorteil. Dies sind vielversprechende Eigenschaften für verschiedene Anwendungen wie optische Pinzetten und Materialbearbeitung.
„Die Möglichkeit, einen Bessel-Strahl direkt aus einer optischen Faser zu erzeugen, könnte für die Partikelmanipulation oder die faserintegrierte Stimulierte-Emission-Depletion-Mikroskopie genutzt werden, eine Technik, die hochauflösende Bilder erzeugt“, erklärt Shlomi Lightman am Kernforschungszentrum Soreq.
Bessel-Strahlen werden häufig durch die Fokussierung eines Gaußschen Strahls durch eine kegelförmige Linse, die als Axicon bekannt ist, erzeugt. Obwohl den optischen Fasern schon früher komplexe optische Elemente wie Axicons hinzugefügt wurden, sagen Lightman und Kollegen, dass die Herstellungsprozesse eine Herausforderung darstellen. Um den Prozess zu vereinfachen und die Herstellungszeit zu verkürzen, wandten sie sich dem 3D-Direktlaserschreiben (3D-DLW) zu.
Bei 3D-DLW wird ein lichtempfindliches Material über einen Zwei-Photonen-Absorptionsprozess unter Verwendung eines Femtosekundenlasers polymerisiert. Da nur die winzigen Bereiche, in denen Zwei-Photonen-Absorption auftritt, fest werden, ermöglicht die Technik die Erstellung hochauflösender 3D-Elemente.
Das Team druckte ein 110 µm hohes optisches Gerät mit einem Durchmesser von 60 µm auf das Ende einer optischen Faser. Das Gerät enthielt eine Parabollinse mit einer Brennweite von 27 µm und ein Axicon mit einem Kegel mit einem Radius von 30 µm und einer Höhe von 23 µm. Die Parabollinse wurde entwickelt, um das weit gebeugte Licht von der Faser auszurichten und in das helikale Axikon zu fokussieren. Das Axicon hatte eine spiralförmige Struktur, die dem Licht einen Bahndrehimpuls verleihen sollte.
Nachdem das Gerät gedruckt war, was etwa vier Minuten dauerte, spleißten die Forscher die Faser mit dem mikrooptischen Gerät an einen Faserlaser. Anschließend testeten sie die Leistung mit einem speziell entwickelten optischen Messsystem.
Sie fanden heraus, dass das Gerät einen Gauß-Bessel-Strahl mit einer anfänglichen Breite von 10 µm erzeugte. Entlang einer Strecke von 2 mm dehnte sich dieser auf eine Breite von 30 µm aus. Den Forschern zufolge erreicht ein Gauß-Strahl mit identischer Anfangsbreite über die gleiche Distanz eine Breite von 270 µm, was beweist, dass der von ihrem Gerät erzeugte Strahl ein beugungsfreier Strahl ist.
Es wurde auch festgestellt, dass der vom mikrooptischen Element erzeugte Lichtstrahl einen Bahndrehimpulswert von 1 hat ħ pro Photon, wie erwartet. Der einfallende Laserstrahl hatte keinen Bahndrehimpuls.
Neue Geräte erzeugen und erkennen verdrehtes Licht
Da das Gerät aus organischen lichtempfindlichen Polymeren gedruckt wurde, befürchteten die Forscher, dass es im Laufe der Zeit laserinduzierte Schäden und eine eingeschränkte mechanische Stabilität erleiden könnte. Als sie die Laserleistung schrittweise auf eine maximale optische Dichte von 3.8 MW/cm steigerten2 Es gab keine offensichtlichen Auswirkungen auf die Strahleigenschaften. Jetzt experimentieren sie jedoch mit dieser 3D-DLW-Methode an hybriden lichtempfindlichen Materialien, die einen geringen Polymeranteil enthalten. Aus solchen Materialien gedruckte optische Elemente könnten eine längere Haltbarkeit haben und widerstandsfähiger gegen hohe Laserleistungen sein, heißt es.
Das Team stellt fest, dass diese Laserdrucktechnik auch für andere optische Geräte verwendet werden könnte. „Unsere Herstellungsmethode könnte auch verwendet werden, um eine kostengünstige Linse zu einer intelligenten Linse höherer Qualität aufzurüsten, indem eine intelligente kleine Struktur darauf gedruckt wird“, sagt Lightman.
Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in Optikbuchstaben.
