Современные технологии, такие как оптические вычисления, интегрированная фотоника и цифровая голография, требуют, чтобы световые сигналы манипулировались в трех измерениях. Для этого необходимо иметь возможность формировать и направлять поток света в соответствии с его желаемым применением. Учитывая, что световой поток в среде определяется показателем преломления, необходима специальная настройка показателя преломления для реализации управления световым путем в среде.
С этой целью ученые разработали так называемые «апериодические фотонные объемные элементы» (APVE), микроскопические воксели с определенными показателями преломления, расположенные в заранее определенных положениях, чтобы направлять поток света контролируемым образом . Однако моделирование этих элементов требует высокой степени точности, и большинство светоформирующих материалов ограничены 2D-конфигурациями или в конечном итоге ухудшают профиль выходного светового луча.
В недавнем исследовании, опубликованном в Advanced Photonics Nexus (APNexus), исследователи под руководством Александра Йезахера из Медицинского университета Инсбрука в Австрии предложили простой подход к изготовлению высокоточных APVE для ряда приложений. В этом методе используется метод, называемый «прямая лазерная запись», для трехмерного расположения вокселей с определенными показателями преломления внутри боросиликатного стекла.
В своем исследовании исследователи разработали алгоритм, который стимулирует поток света через среду, чтобы определить оптимальное размещение вокселей для достижения необходимой точности. Исходя из этого, они смогли создать от 154 000 до 308 000 вокселей, каждый из которых занимает объем примерно 1,75 мкм × 7,5 мкм × 10 мкм всего за 20 минут. Кроме того, они использовали динамическое управление волновым фронтом для компенсации любой сферической аберрации (искажения профиля луча) во время фокусировки лазера на подложке. Это обеспечило согласованность каждого профиля вокселя на всех глубинах среды.
Команда разработала три типа APVE, чтобы продемонстрировать применимость метода: формирователь интенсивности для управления распределением интенсивности входного луча, мультиплексор RGB, управляющий передачей красно-зелено-синих (RGB) спектров входного луча. и сортировщик режима Эрмита-Гаусса (HG) для повышения скорости передачи данных.
Команда использовала формирователь интенсивности для преобразования гауссового луча в микроскопическое распределение света в форме смайлика, затем мультиплексор для представления различных частей распределения смайликов разными цветами и, наконец, сортировщик режима HG для преобразования нескольких входных сигналов гауссова режима, предоставленных оптических волокон в моды HG. Во всех случаях устройства смогли передать входной сигнал без существенных потерь и достигли рекордно высокой дифракционной эффективности до 80 процентов, установив новый эталон стандарта APVE.
«Результаты, изложенные в этой статье, значительно продвинули область сверхбыстрого лазерного прямого письма. Новый метод может открыть двери к идеальной недорогой платформе для быстрого прототипирования высокоинтегрированных трехмерных формирователей света», — говорит член редакционной коллегии APNexus Паулина Сеговиа. Олвера из Центра научных исследований и высшего образования в Энсенаде (CICESE). «Демонстрация надежного метода создания последовательных, воспроизводимых и надежных APVE не только дополняет текущие знания в этой области, но и открывает новые возможности в прикладной фотонике», — добавляет она.
Этот метод, помимо простоты, низкой стоимости и высокой точности, вероятно, может быть распространен и на другие подложки, включая нелинейные материалы. «Гибкость нашего метода может сделать его жизнеспособным для разработки широкого спектра 3D-устройств для приложений в области передачи информации, оптических вычислений , визуализации многомодовых волокон, нелинейной фотоники и квантовой оптики», — заключает Йесакер.
