Des physiciens israéliens ont imprimé un élément micro-optique qui génère un faisceau de Bessel torsadé à l'extrémité d'une fibre optique. Le dispositif polymère se compose d'une lentille parabolique pour la collimation de la lumière et d'un axicon hélicoïdal qui tord la lumière. Selon les chercheurs, leurs travaux démontrent comment des éléments capables de générer des formes de faisceau sophistiquées peuvent être intégrés dans des fibres optiques. De tels dispositifs pourraient fournir des faisceaux lumineux adaptés à diverses technologies optiques.
Un large éventail d'applications – notamment les communications, la détection et l'imagerie, par exemple – reposent sur les fibres optiques. La lumière sortant de ces fibres est généralement manipulée et orientée à l’aide de grands éléments optiques. La micro-optique est considérée comme un moyen de réduire la taille de ces éléments, d'étendre leur fonction et de réduire les coûts. Les intégrer directement sur les fibres optiques pourrait être particulièrement avantageux.
Façonner la lumière en faisceaux de Bessel, un type de lumière torsadée qui transporte un moment cinétique orbital, est bénéfique en raison de sa résistance à la diffraction et de sa grande profondeur de focalisation. Ce sont des caractéristiques prometteuses pour diverses applications telles que les pincettes optiques et le traitement des matériaux.
"La capacité de créer un faisceau Bessel directement à partir d'une fibre optique pourrait être utilisée pour la manipulation de particules ou la microscopie à émission stimulée intégrée à la fibre, une technique qui produit des images de super-résolution", explique Shlomi Lightman, du Centre de recherche nucléaire de Soreq.
Les faisceaux de Bessel sont souvent créés en focalisant un faisceau gaussien à travers une lentille en forme de cône appelée axicon. Bien que des éléments optiques complexes comme les axicons aient déjà été ajoutés aux fibres optiques, Lightman et ses collègues affirment que les processus de fabrication sont difficiles. Pour simplifier le processus et réduire le temps de fabrication, ils se sont tournés vers l’écriture laser directe 3D (3D-DLW).
En 3D-DLW, un matériau photosensible est polymérisé via un processus d'absorption à deux photons à l'aide d'un laser femtoseconde. Comme seules les minuscules zones où se produit l’absorption à deux photons deviennent solides, la technique permet la création d’éléments 3D haute résolution.
L'équipe a imprimé un dispositif optique de 110 µm de haut et 60 µm de diamètre à l'extrémité d'une fibre optique. L'appareil comprenait une lentille parabolique avec une distance focale de 27 µm et un axicon avec un cône de rayon 30 µm et une hauteur de 23 µm. La lentille parabolique a été conçue pour aligner la lumière largement diffractée par la fibre et la concentrer dans l'axicon hélicoïdal. L'axicon avait une structure hélicoïdale conçue pour ajouter un moment angulaire orbital à la lumière.
Une fois le dispositif imprimé, un processus qui a duré environ quatre minutes, les chercheurs ont raccordé la fibre contenant le dispositif micro-optique à un laser à fibre. Ils ont ensuite testé ses performances à l’aide d’un système de mesure optique spécialement conçu.
Ils ont constaté que l’appareil générait un faisceau gaussien-Bessel d’une largeur initiale de 10 µm. Sur une distance de 2 mm, celle-ci s'étend jusqu'à une largeur de 30 µm. Selon les chercheurs, un faisceau gaussien de largeur initiale identique atteindra une largeur de 270 µm sur la même distance, démontrant que le faisceau produit par leur appareil est un faisceau sans diffraction.
Le faisceau de lumière produit par l'élément micro-optique s'est également avéré avoir une valeur de moment cinétique orbital de 1. ħ par photon, comme prévu. Le faisceau laser entrant n’avait pas de moment cinétique orbital.
De nouveaux appareils produisent et détectent une lumière torsadée
Comme le dispositif était imprimé à partir de polymères organiques photosensibles, les chercheurs craignaient qu'il ne subisse des dommages induits par le laser et une stabilité mécanique limitée au fil du temps. Lorsqu'ils ont progressivement augmenté la puissance du laser jusqu'à une densité optique maximale de 3.8 MW/cm2 il n’y a eu aucun impact évident sur les propriétés du faisceau. Ils expérimentent cependant désormais cette méthode 3D-DLW sur des matériaux photosensibles hybrides contenant un faible pourcentage de polymère. Les éléments optiques imprimés à partir de tels matériaux pourraient avoir une durée de conservation plus longue et être plus résistants aux puissances laser élevées, affirment-ils.
L’équipe note que cette technique d’impression laser pourrait également être utilisée pour d’autres dispositifs optiques. "Notre méthode de fabrication pourrait également être utilisée pour améliorer une lentille peu coûteuse en une lentille intelligente de meilleure qualité en y imprimant une petite structure intelligente", explique Lightman.
Les chercheurs rapportent leurs résultats dans Lettres d'optique.
