Các nhà vật lý ở Israel vừa in một phần tử quang học vi mô tạo ra chùm Bessel xoắn ở đầu sợi quang. Thiết bị polyme bao gồm một thấu kính parabol để thu ánh sáng và một trục xoắn ốc làm xoắn ánh sáng. Theo các nhà nghiên cứu, công trình của họ chứng minh làm thế nào các phần tử có thể tạo ra các hình dạng chùm tia phức tạp có thể được tích hợp vào sợi quang. Những thiết bị như vậy có thể cung cấp chùm ánh sáng phù hợp cho nhiều công nghệ quang học khác nhau.
Một loạt các ứng dụng – ví dụ như truyền thông, cảm biến và hình ảnh – đều dựa vào sợi quang. Ánh sáng thoát ra khỏi các sợi này thường được điều khiển và điều khiển bằng các phần tử quang học lớn. Quang học vi mô được coi là một cách để giảm kích thước của các phần tử này, mở rộng chức năng của chúng và cắt giảm chi phí. Việc tích hợp chúng trực tiếp vào sợi quang có thể đặc biệt thuận lợi.
Định hình ánh sáng thành chùm Bessel, một loại ánh sáng xoắn mang xung lượng góc quỹ đạo, có lợi do khả năng chống nhiễu xạ và độ sâu tiêu điểm lớn của chúng. Đây là những đặc điểm đầy hứa hẹn cho các ứng dụng khác nhau như nhíp quang học và xử lý vật liệu.
“Khả năng tạo ra chùm tia Bessel trực tiếp từ sợi quang có thể được sử dụng để xử lý hạt hoặc kính hiển vi suy giảm phát xạ kích thích tích hợp sợi quang, một kỹ thuật tạo ra hình ảnh siêu phân giải”, Shlomi Lightman, tại trường đại học, giải thích. Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Soreq.
Chùm Bessel thường được tạo ra bằng cách tập trung chùm tia Gaussian qua một thấu kính hình nón được gọi là axicon. Mặc dù các phần tử quang học phức tạp như trục đã được thêm vào sợi quang trước đây nhưng Lightman và các đồng nghiệp cho biết quá trình chế tạo vẫn còn nhiều thách thức. Để đơn giản hóa quy trình và giảm thời gian chế tạo, họ đã chuyển sang viết bằng laser trực tiếp 3D (3D-DLW).
Trong 3D-DLW, vật liệu cảm quang được polyme hóa thông qua quá trình hấp thụ hai photon bằng laser femto giây. Vì chỉ những khu vực nhỏ nơi xảy ra sự hấp thụ hai photon mới chuyển sang trạng thái rắn nên kỹ thuật này cho phép tạo ra các phần tử 3D có độ phân giải cao.
Nhóm nghiên cứu đã in một thiết bị quang học cao 110 µm, đường kính 60 µm ở đầu sợi quang. Thiết bị này bao gồm một thấu kính parabol có tiêu cự 27 µm và một trục có hình nón có bán kính 30 µm và chiều cao 23 µm. Thấu kính parabol được thiết kế để căn chỉnh ánh sáng nhiễu xạ rộng từ sợi quang và tập trung nó vào trục xoắn ốc. Axicon có cấu trúc xoắn ốc được thiết kế để bổ sung xung lượng góc quỹ đạo cho ánh sáng.
Sau khi thiết bị được in, quá trình này mất khoảng XNUMX phút, các nhà nghiên cứu đã ghép sợi chứa thiết bị vi quang với tia laser sợi quang. Sau đó, họ kiểm tra hiệu suất của nó bằng hệ thống đo quang học chuyên dụng.
Họ phát hiện ra rằng thiết bị này tạo ra chùm tia Gaussian–Bessel có chiều rộng ban đầu là 10 µm. Dọc theo khoảng cách 2 mm, khoảng cách này mở rộng đến chiều rộng 30 µm. Theo các nhà nghiên cứu, một chùm tia Gaussian có chiều rộng ban đầu giống hệt nhau sẽ đạt chiều rộng 270 µm trên cùng một khoảng cách, chứng tỏ rằng chùm tia do thiết bị của họ tạo ra là chùm tia không nhiễu xạ.
Chùm ánh sáng do phần tử vi quang tạo ra cũng được phát hiện có giá trị xung lượng góc quỹ đạo là 1 ħ trên mỗi photon, như mong đợi. Chùm tia laser tới không có xung lượng góc quỹ đạo.
Các thiết bị mới tạo ra và phát hiện ánh sáng xoắn
Vì thiết bị được in từ polyme cảm quang hữu cơ nên các nhà nghiên cứu lo ngại rằng nó có thể bị hư hại do tia laser gây ra và độ ổn định cơ học bị hạn chế theo thời gian. Khi họ tăng dần công suất laser lên mật độ quang cực đại là 3.8 MW/cm2 không có tác động rõ ràng đến tính chất của chùm tia. Tuy nhiên, hiện tại họ đang thử nghiệm phương pháp 3D-DLW này trên các vật liệu cảm quang lai có chứa tỷ lệ polyme thấp. Họ cho biết, các thành phần quang học được in từ những vật liệu như vậy có thể có thời hạn sử dụng lâu hơn và có khả năng chống lại cường độ laser cao hơn.
Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng kỹ thuật in laser này cũng có thể được sử dụng cho các thiết bị quang học khác. Lightman cho biết: “Phương pháp chế tạo của chúng tôi cũng có thể được sử dụng để nâng cấp một ống kính rẻ tiền lên một ống kính thông minh chất lượng cao hơn bằng cách in một cấu trúc nhỏ thông minh lên nó”.
Các nhà nghiên cứu báo cáo kết quả của họ trong Chữ cái quang học.
