Een kleine straalvormer die op het uiteinde van een vezel is gefabriceerd, creëert verwrongen licht

Natuurkundigen in Israël hebben een micro-optisch element geprint dat een gedraaide Bessel-straal op het uiteinde van een optische vezel genereert. Het polymeerapparaat bestaat uit een parabolische lens voor lichtcollimatie en een spiraalvormig axicon dat het licht verdraait. Volgens de onderzoekers laat hun werk zien hoe elementen die geavanceerde bundelvormen kunnen genereren, kunnen worden geïntegreerd in optische vezels. Dergelijke apparaten kunnen op maat gemaakte lichtbundels leveren voor een verscheidenheid aan optische technologieën.

Een breed scala aan toepassingen, waaronder bijvoorbeeld communicatie, detectie en beeldvorming, is afhankelijk van optische vezels. Licht dat uit deze vezels komt, wordt meestal gemanipuleerd en gestuurd met behulp van grote optische elementen. Micro-optica wordt gezien als een manier om de grootte van deze elementen te verkleinen, hun functie uit te breiden en kosten te besparen. Het zou bijzonder voordelig kunnen zijn om ze rechtstreeks op optische vezels te integreren.

Het vormgeven van licht in Bessel-stralen, een soort verwrongen licht dat orbitaal impulsmoment draagt, is gunstig vanwege hun weerstand tegen diffractie en grote scherptediepte. Dit zijn veelbelovende eigenschappen voor verschillende toepassingen zoals optische pincetten en materiaalverwerking.

"De mogelijkheid om rechtstreeks uit een optische vezel een Bessel-straal te creëren, zou kunnen worden gebruikt voor deeltjesmanipulatie of vezel-geïntegreerde microscopie met gestimuleerde emissie-uitputting, een techniek die superresolutiebeelden produceert", legt Shlomi Lightman uit, aan de Soreq Nucleair Onderzoekscentrum.

Bessel-bundels worden vaak gemaakt door een Gauss-bundel te focussen door een kegelvormige lens die bekend staat als een axicon. Hoewel complexe optische elementen zoals axicons al eerder aan optische vezels zijn toegevoegd, zeggen Lightman en collega's dat de fabricageprocessen uitdagend zijn. Om het proces te vereenvoudigen en de fabricagetijd te verkorten, wendden ze zich tot 3D direct laserwriting (3D-DLW).

In 3D-DLW wordt een lichtgevoelig materiaal gepolymeriseerd via een twee-foton-absorptieproces met behulp van een femtosecondelaser. Omdat alleen de kleine gebieden waar absorptie van twee fotonen plaatsvindt, solide worden, maakt de techniek het mogelijk om 3D-elementen met hoge resolutie te creëren.

Het team printte een optisch apparaat met een hoogte van 110 µm en een diameter van 60 µm op het uiteinde van een optische vezel. Het apparaat bevatte een parabolische lens met een brandpuntsafstand van 27 µm en een axicon met een kegel met een straal van 30 µm en een hoogte van 23 µm. De parabolische lens is ontworpen om het sterk verstrooide licht van de vezel uit te lijnen en te focussen in het spiraalvormige axicon. Het axicon had een spiraalvormige structuur die was ontworpen om orbitaal impulsmoment aan het licht toe te voegen.

Nadat het apparaat was afgedrukt, een proces dat ongeveer vier minuten duurde, splitsten de onderzoekers de vezel met het micro-optische apparaat op een fiberlaser. Vervolgens testten ze de prestaties ervan met behulp van een speciaal gebouwd optisch meetsysteem.

Ze ontdekten dat het apparaat een Gauss-Bessel-bundel genereerde met een initiële breedte van 10 µm. Over een afstand van 2 mm breidde dit zich uit tot een breedte van 30 µm. Volgens de onderzoekers zal een Gaussische bundel met identieke initiële breedte een breedte bereiken van 270 µm over dezelfde afstand, wat aantoont dat de bundel die door hun apparaat wordt geproduceerd een diffractievrije bundel is.

De lichtstraal geproduceerd door het micro-optische element bleek ook een baanimpulsmomentwaarde van 1 te hebben ħ per foton, zoals verwacht. De binnenkomende laserstraal had geen orbitaal impulsmoment.

Omdat het apparaat is geprint van organische lichtgevoelige polymeren, waren de onderzoekers bezorgd dat het door laser veroorzaakte schade en beperkte mechanische stabiliteit in de loop van de tijd zou kunnen oplopen. Toen ze het laservermogen geleidelijk verhoogden tot een maximale optische dichtheid van 3.8 MW/cm² er was geen duidelijke invloed op de liggereigenschappen. Ze experimenteren nu echter met deze 3D-DLW-methode op hybride lichtgevoelige materialen die een laag percentage polymeer bevatten. Optische elementen die van dergelijke materialen zijn geprint, kunnen een langere houdbaarheid hebben en beter bestand zijn tegen hoge laservermogens, zeggen ze.

Het team merkt op dat deze laserprinttechniek ook voor andere optische apparaten kan worden gebruikt. "Onze fabricagemethode kan ook worden gebruikt om een ​​goedkope lens te upgraden naar een slimme lens van hogere kwaliteit door er een slimme kleine structuur op af te drukken", zegt Lightman.

De onderzoekers rapporteren hun resultaten in Optica Letters.