Οι φυσικοί στο Ισραήλ έχουν εκτυπώσει ένα μικρο-οπτικό στοιχείο που δημιουργεί μια στριμμένη δέσμη Bessel στο άκρο μιας οπτικής ίνας. Η συσκευή πολυμερούς αποτελείται από έναν παραβολικό φακό για παραμόρφωση του φωτός και έναν ελικοειδή άξονα που περιστρέφει το φως. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η εργασία τους δείχνει πώς στοιχεία που μπορούν να δημιουργήσουν εξελιγμένα σχήματα δέσμης μπορούν να ενσωματωθούν σε οπτικές ίνες. Τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να παρέχουν προσαρμοσμένες δέσμες φωτός για μια ποικιλία οπτικών τεχνολογιών.
Ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών – συμπεριλαμβανομένων των επικοινωνιών, της αίσθησης και της απεικόνισης, για παράδειγμα – βασίζεται σε οπτικές ίνες. Το φως που εξέρχεται από αυτές τις ίνες συνήθως χειρίζεται και κατευθύνεται χρησιμοποιώντας μεγάλα οπτικά στοιχεία. Τα μικροοπτικά θεωρούνται ως ένας τρόπος μείωσης του μεγέθους αυτών των στοιχείων, επέκτασης της λειτουργίας τους και μείωσης του κόστους. Η ενσωμάτωσή τους απευθείας σε οπτικές ίνες θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα επωφελής.
Η διαμόρφωση του φωτός σε δέσμες Bessel, ένα είδος συνεστραμμένου φωτός που φέρει τροχιακή γωνιακή ορμή, είναι ευεργετική λόγω της αντοχής τους στη διάθλαση και του μεγάλου βάθους εστίασης. Αυτά είναι πολλά υποσχόμενα χαρακτηριστικά για διάφορες εφαρμογές όπως η οπτική λαβίδα και η επεξεργασία υλικών.
«Η ικανότητα δημιουργίας μιας δέσμης Bessel απευθείας από μια οπτική ίνα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για χειρισμό σωματιδίων ή ενσωματωμένη σε ίνες μικροσκοπία εξάντλησης διεγερμένων εκπομπών, μια τεχνική που παράγει εικόνες υπερ-ανάλυσης», εξηγεί ο Shlomi Lightman, στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών Soreq.
Οι δέσμες Bessel δημιουργούνται συχνά εστιάζοντας μια ακτίνα Gauss μέσω ενός κωνικού φακού που είναι γνωστός ως άξονας. Αν και σύνθετα οπτικά στοιχεία όπως τα αξονάκια έχουν προστεθεί στο παρελθόν στις οπτικές ίνες, ο Lightman και οι συνεργάτες του λένε ότι οι διαδικασίες κατασκευής είναι προκλητικές. Για να απλοποιήσουν τη διαδικασία και να μειώσουν τον χρόνο κατασκευής στράφηκαν στην τρισδιάστατη άμεση γραφή με λέιζερ (3D-DLW).
Στο 3D-DLW, ένα φωτοευαίσθητο υλικό πολυμερίζεται μέσω μιας διαδικασίας απορρόφησης δύο φωτονίων χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ femtosecond. Καθώς μόνο οι μικροσκοπικές περιοχές όπου λαμβάνει χώρα απορρόφηση δύο φωτονίων γίνονται στερεές, η τεχνική επιτρέπει τη δημιουργία τρισδιάστατων στοιχείων υψηλής ανάλυσης.
Η ομάδα εκτύπωσε μια οπτική συσκευή ύψους 110 μm και διαμέτρου 60 μm στο άκρο μιας οπτικής ίνας. Η συσκευή περιελάμβανε έναν παραβολικό φακό με εστιακή απόσταση 27 μm και έναν άξονα με κώνο ακτίνας 30 μm και ύψος 23 μm. Ο παραβολικός φακός σχεδιάστηκε για να ευθυγραμμίζει το ευρέως διαθλαμένο φως από την ίνα και να το εστιάζει στον ελικοειδή άξονα. Ο άξονας είχε μια ελικοειδή δομή σχεδιασμένη για να προσθέτει τροχιακή γωνιακή ορμή στο φως.
Μόλις εκτυπώθηκε η συσκευή, μια διαδικασία που διήρκεσε περίπου τέσσερα λεπτά, οι ερευνητές ένωσαν την ίνα που περιείχε τη μικροοπτική συσκευή σε ένα λέιζερ ινών. Στη συνέχεια δοκίμασαν την απόδοσή του χρησιμοποιώντας ένα ειδικά κατασκευασμένο οπτικό σύστημα μέτρησης.
Βρήκαν ότι η συσκευή παρήγαγε μια δέσμη Gaussian-Bessel με αρχικό πλάτος 10 μm. Σε μια απόσταση 2 mm, αυτό επεκτάθηκε σε πλάτος 30 μm. Σύμφωνα με τους ερευνητές, μια δέσμη Gauss με ίδιο αρχικό πλάτος θα φτάσει σε πλάτος 270 μm στην ίδια απόσταση, αποδεικνύοντας ότι η δέσμη που παράγεται από τη συσκευή τους είναι μια δέσμη χωρίς περίθλαση.
Η δέσμη φωτός που παράγεται από το μικρο-οπτικό στοιχείο βρέθηκε επίσης να έχει τιμή τροχιακής γωνιακής ορμής 1 ħ ανά φωτόνιο, όπως αναμενόταν. Η εισερχόμενη δέσμη λέιζερ δεν είχε τροχιακή γωνιακή ορμή.
Νέες συσκευές παράγουν και ανιχνεύουν στριμμένο φως
Καθώς η συσκευή εκτυπώθηκε από οργανικά φωτοευαίσθητα πολυμερή, οι ερευνητές ανησυχούσαν ότι μπορεί να υποστεί βλάβη από λέιζερ και περιορισμένη μηχανική σταθερότητα με την πάροδο του χρόνου. Όταν σταδιακά αύξησαν την ισχύ του λέιζερ σε μέγιστη οπτική πυκνότητα 3.8 MW/cm2 δεν υπήρξε εμφανής επίδραση στις ιδιότητες της δοκού. Τώρα, ωστόσο, πειραματίζονται με αυτή τη μέθοδο 3D-DLW σε υβριδικά φωτοευαίσθητα υλικά που περιέχουν χαμηλό ποσοστό πολυμερούς. Τα οπτικά στοιχεία που εκτυπώνονται από τέτοια υλικά θα μπορούσαν να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και να έχουν μεγαλύτερη αντοχή στις υψηλές δυνάμεις λέιζερ, λένε.
Η ομάδα σημειώνει ότι αυτή η τεχνική εκτύπωσης με λέιζερ θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για άλλες οπτικές συσκευές. «Η μέθοδος κατασκευής μας θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αναβάθμιση ενός φθηνού φακού σε έναν έξυπνο φακό υψηλότερης ποιότητας εκτυπώνοντας μια έξυπνη μικρή δομή σε αυτόν», λέει ο Lightman.
Οι ερευνητές αναφέρουν τα αποτελέσματά τους στο Οπτικά γράμματα.
