Físicos em Israel imprimiram um elemento micro-óptico que gera um feixe de Bessel torcido na extremidade de uma fibra óptica. O dispositivo de polímero consiste em uma lente parabólica para colimação de luz e um axicon helicoidal que torce a luz. Segundo os pesquisadores, seu trabalho demonstra como elementos que podem gerar formas de feixe sofisticadas podem ser integrados em fibras ópticas. Esses dispositivos podem fornecer feixes de luz personalizados para uma variedade de tecnologias ópticas.
Uma ampla gama de aplicações – incluindo comunicações, detecção e imagem, por exemplo – depende de fibras ópticas. A luz que sai dessas fibras geralmente é manipulada e direcionada usando grandes elementos ópticos. A micro-óptica é vista como uma forma de reduzir o tamanho desses elementos, expandir sua função e reduzir custos. Integrá-los diretamente em fibras ópticas pode ser particularmente vantajoso.
Moldar a luz em feixes de Bessel, um tipo de luz torcida que carrega momento angular orbital, é benéfico devido à sua resistência à difração e grande profundidade de foco. Estas são características promissoras para várias aplicações, como pinças ópticas e processamento de materiais.
“A capacidade de criar um feixe de Bessel diretamente de uma fibra óptica pode ser usada para manipulação de partículas ou microscopia de depleção por emissão estimulada integrada à fibra, uma técnica que produz imagens de super-resolução”, explica Shlomi Lightman, do Centro de Pesquisa Nuclear Soreq.
Os feixes de Bessel são frequentemente criados focalizando um feixe gaussiano através de uma lente em forma de cone conhecida como axicon. Embora elementos ópticos complexos como axicons tenham sido adicionados a fibras ópticas antes, Lightman e seus colegas dizem que os processos de fabricação são desafiadores. Para simplificar o processo e reduzir o tempo de fabricação, eles recorreram à gravação direta a laser 3D (3D-DLW).
No 3D-DLW, um material fotossensível é polimerizado por meio de um processo de absorção de dois fótons usando um laser de femtosegundo. Como apenas as minúsculas áreas onde ocorre a absorção de dois fótons tornam-se sólidas, a técnica permite a criação de elementos 3D de alta resolução.
A equipe imprimiu um dispositivo óptico de 110 µm de altura e 60 µm de diâmetro na extremidade de uma fibra óptica. O dispositivo incluía uma lente parabólica com distância focal de 27 µm e um axicon com um cone de raio de 30 µm e altura de 23 µm. A lente parabólica foi projetada para alinhar a luz amplamente difratada da fibra e focalizá-la no axicon helicoidal. O axicon tinha uma estrutura helicoidal projetada para adicionar momento angular orbital à luz.
Depois que o dispositivo foi impresso, um processo que levou cerca de quatro minutos, os pesquisadores uniram a fibra contendo o dispositivo micro-óptico a um laser de fibra. Eles então testaram seu desempenho usando um sistema de medição óptica construído especificamente.
Eles descobriram que o dispositivo gerava um feixe Gaussiano-Bessel com uma largura inicial de 10 µm. Ao longo de uma distância de 2 mm, isso se expandiu para uma largura de 30 µm. Segundo os pesquisadores, um feixe gaussiano com largura inicial idêntica atingirá uma largura de 270 µm na mesma distância, demonstrando que o feixe produzido por seu dispositivo é um feixe livre de difração.
O feixe de luz produzido pelo elemento micro-óptico também apresentou um valor de momento angular orbital de 1 ħ por fóton, como esperado. O feixe de laser recebido não tinha momento angular orbital.
Novos dispositivos produzem e detectam luz distorcida
Como o dispositivo foi impresso a partir de polímeros orgânicos fotossensíveis, os pesquisadores temeram que ele pudesse sofrer danos induzidos pelo laser e estabilidade mecânica limitada ao longo do tempo. Quando eles aumentaram gradualmente a potência do laser para uma densidade óptica máxima de 3.8 MW/cm2 não houve impacto óbvio nas propriedades da viga. Eles estão agora, no entanto, experimentando este método 3D-DLW em materiais fotossensíveis híbridos que contêm uma baixa porcentagem de polímero. Os elementos ópticos impressos a partir desses materiais podem ter vida útil mais longa e ser mais resistentes a altas potências de laser, dizem eles.
A equipe observa que essa técnica de impressão a laser também pode ser usada para outros dispositivos ópticos. “Nosso método de fabricação também pode ser usado para atualizar uma lente barata para uma lente inteligente de qualidade superior, imprimindo uma pequena estrutura inteligente nela”, diz Lightman.
Os pesquisadores relatam seus resultados em Letras ópticas.
