开发高效、高精度3D光塑器的新方法
发布时间：2023-04-23 08:00:00 阅读数： 76
现代技术，如光学计算、集成光子学和数字全息技术，需要在三维空间中操纵光信号。为了实现这一目标，必须能够根据所需的应用来塑造和引导光的流动。鉴于光在介质中的流动受折射率的制约，需要对折射率进行特定的调整以实现对介质中光路的控制。
强度整形器可以将输入的高斯光束转换成精确的直射光，如（a）"笑脸 "光分布。体素的精确排列是通过超快的激光直写实现的。(c)每个体素是一个微米大小的元素，沿x和y轴有一个特定的折射率曲线(b)。资料来源：Barré等人，doi 10.1117/1.APN.2.3.036006。
为此，科学家们开发了所谓的 "非周期性光子体积元件"（APVEs），这些微观体块具有特定的折射率，位于预定的位置，以控制的方式引导光的流动。然而，雕刻这些元素需要很高的精度，而且大多数光塑造材料仅限于二维配置，或者最终会降低输出光束的轮廓。
在最近发表在Advanced Photonics Nexus（APNexus）上的一项研究中，由奥地利因斯布鲁克医科大学的Alexander Jesacher领导的研究人员提出了一种简单的方法来制造高度精确的APVEs，用于一系列应用。该方法使用一种叫做 "直接激光写入 "的技术，在硼硅酸盐玻璃内对特定折射率的体素进行三维排列。
在他们的研究中，研究人员设计了一种算法，刺激光在介质中的流动，以确定体素的最佳位置，实现必要的精度。在此基础上，他们能够在短短20分钟内生成154,000至308,000个体素，每个体素占据大约1.75微米×7.5微米×10微米的体积。此外，他们使用动态波前控制来补偿激光在基底上聚焦时的任何球面像差（光束轮廓畸变）。这确保了每个体素轮廓在介质内所有深度的一致性。
该团队开发了三种类型的APVE，以证明该方法的适用性：用于控制输入光束强度分布的强度整形器，操纵输入光束的红绿蓝（RGB）光谱传输的RGB复用器，以及用于提高数据传输速度的赫米特-高斯（HG）模式分拣器。
该团队使用强度整形器将高斯光束转换为微观笑脸形光分布，然后使用多路复用器将笑脸分布的不同部分用不同颜色表示，最后使用HG模式分拣器将光纤输送的多个高斯模式输入转换成HG模式。在所有情况下，这些设备都能够在没有明显损失的情况下传输输入信号，并实现了高达80%的创纪录的衍射效率，为APVE的标准设定了一个新的基准。
"本文报告的结果大大推进了超快激光直写领域的发展。这种新颖的方法可以为高度集成的三维光塑造器的快速原型设计打开理想的低成本平台，"恩塞纳达科学研究和高等教育中心（CICESE）的APNexus编辑委员会成员Paulina Segovia-Olvera说。"她补充说："展示一种生产一致的、可重复的和可靠的APVEs的可靠方法，不仅增加了该领域的现有知识，而且还使应用光子学的新途径成为可能。
该方法除了简单、低成本和高精度外，可能还可以扩展到其他基材，包括非线性材料。"Jesacher总结说："我们的方法的灵活性可以使它在设计广泛的三维设备时变得可行，这些设备可应用于信息传输、光计算、多模光纤成像、非线性光子学和量子光学。
参考资料
Nicolas Barré et al, Direct laser-written aperiodic photonic volume elements for complex light shaping with high efficiency: inverse design and fabrication, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036006
