Fysiker i Israel har tryckt ett mikrooptiskt element som genererar en vriden Bessel-stråle på änden av en optisk fiber. Polymeranordningen består av en parabollins för ljuskollimation och en spiralformad axel som vrider ljuset. Enligt forskarna visar deras arbete hur element som kan generera sofistikerade strålformer kan integreras i optiska fibrer. Sådana anordningar skulle kunna tillhandahålla skräddarsydda ljusstrålar för en mängd olika optiska teknologier.
Ett brett utbud av applikationer – inklusive kommunikation, avkänning och bildbehandling, till exempel – är beroende av optiska fibrer. Ljus som lämnar dessa fibrer manipuleras och styrs vanligtvis med hjälp av stora optiska element. Mikrooptik ses som ett sätt att minska storleken på dessa element, utöka deras funktion och minska kostnaderna. Att integrera dem direkt på optiska fibrer kan vara särskilt fördelaktigt.
Att forma ljus till Bessel-strålar, en typ av vridet ljus som bär orbital vinkelmomentum, är fördelaktigt på grund av deras motstånd mot diffraktion och stora fokusdjup. Dessa är lovande egenskaper för olika applikationer som optisk pincett och materialbearbetning.
"Förmågan att skapa en Bessel-stråle direkt från en optisk fiber skulle kunna användas för partikelmanipulation eller fiberintegrerad mikroskopi med stimulerad emissionsutarmning, en teknik som producerar superupplösta bilder", förklarar Shlomi Lightman, på Soreq Nuclear Research Center.
Bessel-strålar skapas ofta genom att fokusera en gaussisk stråle genom en konformad lins som kallas en axicon. Även om komplexa optiska element som axicons har lagts till optiska fibrer tidigare, säger Lightman och kollegor att tillverkningsprocesserna är utmanande. För att förenkla processen och minska tillverkningstiden övergick de till 3D direkt laserskrivning (3D-DLW).
I 3D-DLW polymeriseras ett ljuskänsligt material via en tvåfotonabsorptionsprocess med en femtosekundlaser. Eftersom endast de små områdena där tvåfotonabsorption sker blir solida, möjliggör tekniken skapandet av högupplösta 3D-element.
Teamet tryckte en 110 µm hög optisk enhet med en diameter på 60 µm på änden av en optisk fiber. Anordningen inkluderade en parabollins med en brännvidd på 27 µm och en axel med en kon med radie 30 µm och en höjd av 23 µm. Den paraboliska linsen var designad för att rikta in det vitt diffrakterade ljuset från fibern och fokusera det i den spiralformade axeln. Axikonen hade en spiralformad struktur utformad för att lägga till ljusets rörelsemängd.
När enheten väl hade skrivits ut, en process som tog cirka fyra minuter, skarvade forskarna fibern som innehöll den mikrooptiska enheten till en fiberlaser. De testade sedan dess prestanda med ett specialbyggt optiskt mätsystem.
De fann att enheten genererade en Gauss-Bessel-stråle med en initial bredd på 10 µm. Längs ett 2 mm avstånd expanderade detta till en bredd av 30 µm. Enligt forskarna kommer en gaussisk stråle med identisk initial bredd att nå en bredd på 270 µm över samma avstånd, vilket visar att strålen som produceras av deras enhet är en diffraktionsfri stråle.
Ljusstrålen som produceras av det mikrooptiska elementet visade sig också ha ett omloppsvinkelmomentvärde på 1 ħ per foton, som förväntat. Den inkommande laserstrålen hade inget omloppsrörelsemängd.
Nya enheter producerar och upptäcker vridet ljus
Eftersom enheten trycktes från organiska ljuskänsliga polymerer var forskarna oroliga för att den kan drabbas av laserinducerad skada och begränsad mekanisk stabilitet över tiden. När de gradvis ökade lasereffekten till en maximal optisk densitet på 3.8 MW/cm2 det fanns ingen tydlig påverkan på strålens egenskaper. De experimenterar nu dock med denna 3D-DLW-metod på hybrid ljuskänsliga material som innehåller en låg andel polymer. Optiska element tryckta av sådana material kan ha längre hållbarhet och vara mer motståndskraftig mot höga lasereffekter, säger de.
Teamet noterar att denna laserutskriftsteknik också kan användas för andra optiska enheter. "Vår tillverkningsmetod kan också användas för att uppgradera en billig lins till en smart lins av högre kvalitet genom att skriva ut en smart liten struktur på den", säger Lightman.
Forskarna redovisar sina resultat i Optikbokstäver.
