I fisici in Israele hanno stampato un elemento micro-ottico che genera un raggio di Bessel ritorto all'estremità di una fibra ottica. Il dispositivo polimerico è costituito da una lente parabolica per la collimazione della luce e da un assicone elicoidale che distorce la luce. Secondo i ricercatori, il loro lavoro dimostra come elementi in grado di generare forme di fascio sofisticate possano essere integrati nelle fibre ottiche. Tali dispositivi potrebbero fornire fasci di luce su misura per una varietà di tecnologie ottiche.
Un’ampia gamma di applicazioni, tra cui ad esempio le comunicazioni, il rilevamento e l’imaging, si basano sulle fibre ottiche. La luce che esce da queste fibre viene solitamente manipolata e direzionata utilizzando grandi elementi ottici. La microottica è vista come un modo per ridurre le dimensioni di questi elementi, espandere la loro funzione e ridurre i costi. Integrarli direttamente sulle fibre ottiche potrebbe essere particolarmente vantaggioso.
Modellare la luce nei raggi di Bessel, un tipo di luce attorcigliata che trasporta il momento angolare orbitale, è vantaggioso grazie alla loro resistenza alla diffrazione e all'ampia profondità di fuoco. Queste sono caratteristiche promettenti per varie applicazioni come pinzette ottiche e lavorazione dei materiali.
“La capacità di creare un fascio di Bessel direttamente da una fibra ottica potrebbe essere utilizzata per la manipolazione delle particelle o per la microscopia a deplezione di emissione stimolata integrata nella fibra, una tecnica che produce immagini a super-risoluzione”, spiega Shlomi Lightman, al Centro di ricerca nucleare Soreq.
I raggi di Bessel vengono spesso creati focalizzando un raggio gaussiano attraverso una lente a forma di cono nota come axicon. Sebbene elementi ottici complessi come gli axicon siano stati aggiunti in precedenza alle fibre ottiche, Lightman e colleghi affermano che i processi di fabbricazione sono impegnativi. Per semplificare il processo e ridurre i tempi di fabbricazione, si sono rivolti alla scrittura laser diretta 3D (3D-DLW).
Nel 3D-DLW, un materiale fotosensibile viene polimerizzato tramite un processo di assorbimento a due fotoni utilizzando un laser a femtosecondi. Poiché solo le minuscole aree in cui avviene l’assorbimento di due fotoni diventano solide, la tecnica consente la creazione di elementi 3D ad alta risoluzione.
Il team ha stampato un dispositivo ottico alto 110 µm e con un diametro di 60 µm all'estremità di una fibra ottica. Il dispositivo comprendeva una lente parabolica con lunghezza focale di 27 µm e un axicon con un cono di raggio 30 µm e altezza di 23 µm. La lente parabolica è stata progettata per allineare la luce ampiamente diffratta dalla fibra e focalizzarla nell'assico elicoidale. L'axicon aveva una struttura elicoidale progettata per aggiungere momento angolare orbitale alla luce.
Una volta stampato il dispositivo, un processo che ha richiesto circa quattro minuti, i ricercatori hanno unito la fibra contenente il dispositivo microottico a un laser a fibra. Ne hanno poi testato le prestazioni utilizzando un sistema di misurazione ottica appositamente costruito.
Hanno scoperto che il dispositivo generava un fascio gaussiano-Bessel con una larghezza iniziale di 10 µm. Lungo una distanza di 2 mm, questo si è espanso fino a una larghezza di 30 µm. Secondo i ricercatori, un fascio gaussiano con identica larghezza iniziale raggiungerà una larghezza di 270 µm alla stessa distanza, dimostrando che il fascio prodotto dal loro dispositivo è un fascio privo di diffrazione.
Si è riscontrato inoltre che il fascio di luce prodotto dall'elemento microottico ha un valore di momento angolare orbitale pari a 1 ħ per fotone, come previsto. Il raggio laser in arrivo non aveva momento angolare orbitale.
Nuovi dispositivi producono e rilevano la luce contorta
Poiché il dispositivo è stato stampato da polimeri organici fotosensibili, i ricercatori temevano che potesse subire danni indotti dal laser e una stabilità meccanica limitata nel tempo. Quando hanno gradualmente aumentato la potenza del laser fino a una densità ottica massima di 3.8 MW/cm2 non c'era alcun impatto evidente sulle proprietà della trave. Ora, tuttavia, stanno sperimentando questo metodo 3D-DLW su materiali fotosensibili ibridi che contengono una bassa percentuale di polimero. Gli elementi ottici stampati con tali materiali potrebbero avere una durata di conservazione più lunga ed essere più resistenti alle alte potenze laser, dicono.
Il team osserva che questa tecnica di stampa laser potrebbe essere utilizzata anche per altri dispositivi ottici. "Il nostro metodo di fabbricazione potrebbe anche essere utilizzato per aggiornare una lente economica con una lente intelligente di qualità superiore stampando su di essa una piccola struttura intelligente", afferma Lightman.
I ricercatori riportano i loro risultati in Lettere di ottica.
