Físicos en Israel han impreso un elemento microóptico que genera un haz de Bessel retorcido en el extremo de una fibra óptica. El dispositivo de polímero consta de una lente parabólica para la colimación de la luz y un axicon helicoidal que tuerce la luz. Según los investigadores, su trabajo demuestra cómo los elementos que pueden generar formas de haz sofisticadas pueden integrarse en fibras ópticas. Dichos dispositivos podrían proporcionar haces de luz personalizados para una variedad de tecnologías ópticas.
Una amplia gama de aplicaciones, incluidas comunicaciones, detección e imágenes, por ejemplo, dependen de las fibras ópticas. La luz que sale de estas fibras generalmente se manipula y dirige utilizando elementos ópticos grandes. La microóptica se ve como una forma de reducir el tamaño de estos elementos, ampliar su función y reducir costos. Integrarlos directamente en fibras ópticas podría ser particularmente ventajoso.
Dar forma a la luz en haces de Bessel, un tipo de luz retorcida que lleva un momento angular orbital, es beneficioso debido a su resistencia a la difracción y gran profundidad de foco. Estas son características prometedoras para diversas aplicaciones, como pinzas ópticas y procesamiento de materiales.
"La capacidad de crear un haz de Bessel directamente a partir de una fibra óptica podría usarse para la manipulación de partículas o microscopía de agotamiento de emisión estimulada integrada en fibra, una técnica que produce imágenes de súper resolución", explica Shlomi Lightman, del Centro de Investigación Nuclear de Soreq.
Los haces de Bessel a menudo se crean enfocando un haz gaussiano a través de una lente en forma de cono conocida como axicon. Aunque antes se han agregado elementos ópticos complejos como axicones a las fibras ópticas, Lightman y sus colegas dicen que los procesos de fabricación son desafiantes. Para simplificar el proceso y reducir el tiempo de fabricación, recurrieron a la escritura láser directa en 3D (3D-DLW).
En 3D-DLW, un material fotosensible se polimeriza mediante un proceso de absorción de dos fotones utilizando un láser de femtosegundo. Como solo las pequeñas áreas donde se produce la absorción de dos fotones se vuelven sólidas, la técnica permite la creación de elementos 3D de alta resolución.
El equipo imprimió un dispositivo óptico de 110 µm de alto y 60 µm de diámetro en el extremo de una fibra óptica. El dispositivo incluía una lente parabólica con una distancia focal de 27 µm y un axicon con un cono de 30 µm de radio y una altura de 23 µm. La lente parabólica se diseñó para alinear la luz ampliamente difractada de la fibra y enfocarla en el axicon helicoidal. El axicon tenía una estructura helicoidal diseñada para agregar un momento angular orbital a la luz.
Una vez que se imprimió el dispositivo, un proceso que tomó alrededor de cuatro minutos, los investigadores empalmaron la fibra que contenía el dispositivo microóptico a un láser de fibra. Luego probaron su rendimiento utilizando un sistema de medición óptica especialmente diseñado.
Descubrieron que el dispositivo generaba un haz de Gauss-Bessel con un ancho inicial de 10 µm. A lo largo de una distancia de 2 mm, esto se expandió a un ancho de 30 µm. Según los investigadores, un haz gaussiano con un ancho inicial idéntico alcanzará un ancho de 270 µm en la misma distancia, lo que demuestra que el haz producido por su dispositivo es un haz sin difracción.
También se encontró que el haz de luz producido por el elemento microóptico tenía un valor de momento angular orbital de 1 ħ por fotón, como se esperaba. El rayo láser entrante no tenía momento angular orbital.
Nuevos dispositivos producen y detectan luz torcida
Como el dispositivo se imprimió con polímeros fotosensibles orgánicos, a los investigadores les preocupaba que pudiera sufrir daños inducidos por láser y una estabilidad mecánica limitada con el tiempo. Cuando aumentaron gradualmente la potencia del láser hasta una densidad óptica máxima de 3.8 MW/cm2 no hubo un impacto evidente en las propiedades del haz. Sin embargo, ahora están experimentando con este método 3D-DLW en materiales híbridos fotosensibles que contienen un bajo porcentaje de polímero. Los elementos ópticos impresos a partir de dichos materiales podrían tener una vida útil más larga y ser más resistentes a las altas potencias de los láseres, afirman.
El equipo señala que esta técnica de impresión láser también podría usarse para otros dispositivos ópticos. “Nuestro método de fabricación también podría usarse para actualizar una lente económica a una lente inteligente de mayor calidad imprimiendo una pequeña estructura inteligente en ella”, dice Lightman.
Los investigadores informan de sus resultados en Cartas ópticas.
