Fizycy w Izraelu wydrukowali element mikrooptyczny, który generuje na końcu światłowodu skręconą wiązkę Bessela. Urządzenie polimerowe składa się z soczewki parabolicznej do kolimacji światła i helikalnego aksikonu, który skręca światło. Zdaniem naukowców ich praca pokazuje, w jaki sposób elementy generujące wyrafinowane kształty wiązek można zintegrować ze światłowodami. Urządzenia takie mogłyby zapewniać dostosowane wiązki światła do różnych technologii optycznych.
Szeroka gama zastosowań – na przykład komunikacja, wykrywanie i obrazowanie – opiera się na światłowodach. Światło wychodzące z tych włókien jest zwykle manipulowane i sterowane za pomocą dużych elementów optycznych. Mikrooptykę postrzega się jako sposób na zmniejszenie rozmiarów tych elementów, poszerzenie ich funkcji i obniżenie kosztów. Szczególnie korzystna może być ich integracja bezpośrednio ze światłowodami.
Kształtowanie światła w wiązki Bessela, rodzaj skręconego światła przenoszącego orbitalny moment pędu, jest korzystne ze względu na ich odporność na dyfrakcję i dużą głębię ostrości. Są to obiecujące cechy do różnych zastosowań, takich jak pęseta optyczna i obróbka materiałów.
„Możliwość wytworzenia wiązki Bessela bezpośrednio ze światłowodu może zostać wykorzystana do manipulacji cząstkami lub do mikroskopii zubożania emisji stymulowanej zintegrowanej ze włóknem, czyli techniki umożliwiającej uzyskanie obrazów o superrozdzielczości” – wyjaśnia Shlomi Lightman z Instytutu Centrum Badań Jądrowych Soreq.
Wiązki Bessela są często tworzone poprzez skupianie wiązki Gaussa przez soczewkę w kształcie stożka, zwaną aksikonem. Chociaż do włókien optycznych dodawano już złożone elementy optyczne, takie jak aksikony, Lightman i współpracownicy twierdzą, że procesy produkcyjne stanowią wyzwanie. Aby uprościć proces i skrócić czas produkcji, firma zdecydowała się na bezpośrednie drukowanie laserowe 3D (3D-DLW).
W 3D-DLW materiał światłoczuły jest polimeryzowany w procesie absorpcji dwufotonowej przy użyciu lasera femtosekundowego. Ponieważ tylko maleńkie obszary, w których zachodzi absorpcja dwóch fotonów, stają się stałe, technika ta umożliwia tworzenie elementów 3D o wysokiej rozdzielczości.
Zespół wydrukował urządzenie optyczne o wysokości 110 µm i średnicy 60 µm na końcu światłowodu. Urządzenie składało się z soczewki parabolicznej o ogniskowej 27 µm oraz aksikonu o promieniu 30 µm i wysokości 23 µm. Soczewka paraboliczna została zaprojektowana tak, aby wyrównywać szeroko ugięte światło ze światłowodu i skupiać je w helisalnym aksikonie. Akskon miał spiralną strukturę zaprojektowaną tak, aby dodawać do światła orbitalny moment pędu.
Po wydrukowaniu urządzenia, co trwało około czterech minut, badacze połączyli włókno zawierające urządzenie mikrooptyczne z laserem światłowodowym. Następnie przetestowali jego działanie, korzystając ze specjalnie skonstruowanego optycznego systemu pomiarowego.
Odkryli, że urządzenie wygenerowało wiązkę Gaussa-Bessela o początkowej szerokości 10 µm. Na dystansie 2 mm rozszerzało się to do szerokości 30 µm. Według naukowców wiązka Gaussa o identycznej szerokości początkowej osiągnie szerokość 270 µm na tej samej odległości, co pokazuje, że wiązka wytwarzana przez ich urządzenie jest wiązką wolną od dyfrakcji.
Stwierdzono również, że wiązka światła wytwarzana przez element mikrooptyczny ma orbitalny moment pędu wynoszący 1 ħ na foton, zgodnie z oczekiwaniami. Nadchodząca wiązka lasera nie miała orbitalnego momentu pędu.
Nowe urządzenia wytwarzają i wykrywają skręcone światło
Ponieważ urządzenie zostało wydrukowane z organicznych polimerów światłoczułych, naukowcy obawiali się, że z biegiem czasu może ono ulec uszkodzeniom wywołanym laserem i ograniczonej stabilności mechanicznej. Kiedy stopniowo zwiększali moc lasera do maksymalnej gęstości optycznej 3.8 MW/cm2 nie stwierdzono wyraźnego wpływu na właściwości belki. Obecnie jednak eksperymentują z metodą 3D-DLW na hybrydowych materiałach światłoczułych, które zawierają niski procent polimeru. Twierdzą, że elementy optyczne wydrukowane z takich materiałów mogłyby mieć dłuższy okres przydatności do spożycia i większą odporność na działanie lasera o dużej mocy.
Zespół zauważa, że tę technikę druku laserowego można zastosować również w innych urządzeniach optycznych. „Naszą metodę produkcji można również wykorzystać do ulepszenia niedrogiego obiektywu do inteligentnego obiektywu wyższej jakości poprzez wydrukowanie na nim inteligentnej małej struktury” – mówi Lightman.
Naukowcy opisują swoje wyniki w Listy optyki.
