Физики в Израиле напечатали микрооптический элемент, который генерирует скрученный пучок Бесселя на конце оптического волокна. Полимерное устройство состоит из параболической линзы для коллимации света и спирального аксикона, закручивающего свет. По словам исследователей, их работа демонстрирует, как элементы, которые могут генерировать лучи сложной формы, могут быть интегрированы в оптические волокна. Такие устройства могут создавать специальные световые лучи для различных оптических технологий.
Широкий спектр приложений, включая связь, датчики и изображения, например, зависит от оптических волокон. Свет, выходящий из этих волокон, обычно управляется и управляется с помощью больших оптических элементов. Микрооптика рассматривается как способ уменьшить размер этих элементов, расширить их функции и сократить расходы. Интеграция их непосредственно в оптические волокна может быть особенно выгодной.
Преобразование света в пучки Бесселя, типа скрученного света, несущего орбитальный угловой момент, выгодно из-за их устойчивости к дифракции и большой глубины фокуса. Это многообещающие характеристики для различных приложений, таких как оптический пинцет и обработка материалов.
«Возможность создавать пучок Бесселя непосредственно из оптического волокна может быть использована для манипулирования частицами или интегрированной в волокно микроскопии истощения стимулированного излучения — метода, позволяющего получать изображения сверхвысокого разрешения», — объясняет Шломи Лайтман из Центр ядерных исследований Сорек.
Лучи Бесселя часто создаются путем фокусировки гауссового луча через конусообразную линзу, известную как аксикон. Хотя сложные оптические элементы, такие как аксиконы, уже добавлялись к оптическим волокнам раньше, Лайтман и его коллеги говорят, что процессы изготовления сложны. Чтобы упростить процесс и сократить время изготовления, они обратились к прямому лазерному 3D-письму (3D-DLW).
В 3D-DLW фоточувствительный материал полимеризуется в процессе двухфотонного поглощения с использованием фемтосекундного лазера. Поскольку только крошечные области, где происходит двухфотонное поглощение, становятся твердыми, этот метод позволяет создавать трехмерные элементы с высоким разрешением.
Команда напечатала оптическое устройство высотой 110 мкм и диаметром 60 мкм на конце оптического волокна. Устройство включало параболическую линзу с фокусным расстоянием 27 мкм и аксикон с конусом радиусом 30 мкм и высотой 23 мкм. Параболическая линза была разработана для выравнивания широко дифрагированного света от волокна и фокусировки его в спиральный аксикон. Аксикон имел спиральную структуру, предназначенную для добавления свету орбитального углового момента.
После того, как устройство было напечатано, процесс, который занял около четырех минут, исследователи соединили волокно, содержащее микрооптическое устройство, с волоконным лазером. Затем они проверили его работу с помощью специальной оптической измерительной системы.
Они обнаружили, что устройство генерирует пучок Гаусса-Бесселя с начальной шириной 10 мкм. На расстоянии 2 мм он расширился до ширины 30 мкм. По словам исследователей, гауссовский пучок с одинаковой начальной шириной достигнет ширины 270 мкм на том же расстоянии, демонстрируя, что пучок, создаваемый их устройством, является бездифрагирующим.
Было также обнаружено, что луч света, создаваемый микрооптическим элементом, имеет значение орбитального углового момента, равное 1. ħ на фотон, как и ожидалось. Входящий лазерный луч не имел орбитального углового момента.
Новые устройства производят и обнаруживают искривленный свет
Поскольку устройство было напечатано из органических фоточувствительных полимеров, исследователи были обеспокоены тем, что со временем оно может страдать от повреждений, вызванных лазером, и иметь ограниченную механическую стабильность. Когда они постепенно увеличивали мощность лазера до максимальной оптической плотности 3.8 МВт/см2 не было заметного влияния на свойства пучка. Однако сейчас они экспериментируют с этим методом 3D-DLW на гибридных светочувствительных материалах, содержащих низкий процент полимера. По их словам, оптические элементы, напечатанные из таких материалов, могут иметь более длительный срок хранения и быть более устойчивыми к высокой мощности лазера.
Команда отмечает, что эту технику лазерной печати можно использовать и для других оптических устройств. «Наш метод изготовления также может быть использован для модернизации недорогой линзы до более качественной интеллектуальной линзы путем печати на ней небольшой умной структуры», — говорит Лайтман.
Исследователи сообщают о своих результатах в Оптика Письма.
