Fysikere i Israel har skrevet ut et mikrooptisk element som genererer en vridd Bessel-stråle på enden av en optisk fiber. Polymerenheten består av en parabollinse for lyskollimering og et spiralformet aksikon som vrir lyset. Ifølge forskerne demonstrerer arbeidet deres hvordan elementer som kan generere sofistikerte stråleformer kan integreres i optiske fibre. Slike enheter kan gi skreddersydde lysstråler for en rekke optiske teknologier.
Et bredt spekter av bruksområder – inkludert kommunikasjon, sensing og bildebehandling, for eksempel – er avhengig av optiske fibre. Lys som kommer ut av disse fibrene blir vanligvis manipulert og styrt ved hjelp av store optiske elementer. Mikrooptikk blir sett på som en måte å redusere størrelsen på disse elementene, utvide funksjonen deres og kutte kostnader. Å integrere dem direkte på optiske fibre kan være spesielt fordelaktig.
Å forme lys til Bessel-stråler, en type vridd lys som bærer orbital vinkelmomentum, er fordelaktig på grunn av deres motstand mot diffraksjon og stor fokusdybde. Dette er lovende egenskaper for ulike bruksområder som optisk pinsett og materialbehandling.
"Evnen til å lage en Bessel-stråle direkte fra en optisk fiber kan brukes til partikkelmanipulasjon eller fiberintegrert stimulert emisjonsutarmingsmikroskopi, en teknikk som produserer superoppløselige bilder," forklarer Shlomi Lightman, ved Soreq Nuclear Research Center.
Bessel-stråler lages ofte ved å fokusere en gaussisk stråle gjennom en kjegleformet linse kjent som et aksikon. Selv om komplekse optiske elementer som aksikoner har blitt lagt til optiske fibre før, sier Lightman og kolleger at fabrikasjonsprosessene er utfordrende. For å forenkle prosessen og redusere produksjonstiden vendte de seg til 3D direkte laserskriving (3D-DLW).
I 3D-DLW polymeriseres et fotosensitivt materiale via en to-foton-absorpsjonsprosess ved bruk av en femtosekundlaser. Siden bare de bittesmå områdene der absorpsjon av to foton forekommer, blir solide, muliggjør teknikken å lage høyoppløselige 3D-elementer.
Teamet trykket en 110 µm høy optisk enhet med en diameter på 60 µm på enden av en optisk fiber. Enheten inkluderte en parabolsk linse med en brennvidde på 27 µm og et aksikon med en kjegle med radius 30 µm og en høyde på 23 µm. Den parabolske linsen ble designet for å justere det vidt diffrakterte lyset fra fiberen og fokusere det inn i det spiralformede aksikonet. Aksikonet hadde en spiralformet struktur designet for å legge til orbital vinkelmoment til lyset.
Når enheten ble skrevet ut, en prosess som tok rundt fire minutter, skjøtet forskerne fiberen som inneholdt den mikrooptiske enheten til en fiberlaser. De testet deretter ytelsen ved hjelp av et spesialbygd optisk målesystem.
De fant at enheten genererte en Gaussisk-Bessel-stråle med en initial bredde på 10 µm. Langs en 2 mm avstand utvidet dette seg til en bredde på 30 µm. Ifølge forskerne vil en gaussisk stråle med identisk begynnelsesbredde nå en bredde på 270 µm over samme avstand, noe som viser at strålen som produseres av enheten deres er en diffraksjonsfri stråle.
Lysstrålen produsert av det mikro-optiske elementet ble også funnet å ha en orbital vinkelmomentverdi på 1 ħ per foton, som forventet. Den innkommende laserstrålen hadde ingen orbital vinkelmomentum.
Nye enheter produserer og oppdager vridd lys
Ettersom enheten ble skrevet ut fra organiske lysfølsomme polymerer, var forskerne bekymret for at den kan få laserindusert skade og begrenset mekanisk stabilitet over tid. Da de gradvis økte lasereffekten til en maksimal optisk tetthet på 3.8 MW/cm2 det var ingen åpenbar innvirkning på bjelkeegenskapene. De eksperimenterer nå med denne 3D-DLW-metoden på hybride lysfølsomme materialer som inneholder en lav prosentandel polymer. Optiske elementer skrevet ut av slike materialer kan ha lengre holdbarhet og være mer motstandsdyktig mot høye lasereffekter, sier de.
Teamet bemerker at denne laserutskriftsteknikken også kan brukes til andre optiske enheter. "Vår fabrikasjonsmetode kan også brukes til å oppgradere en billig linse til en smart linse av høyere kvalitet ved å skrive ut en smart liten struktur på den," sier Lightman.
Forskerne rapporterer resultatene sine i Optikkbokstaver.
