Moderne Technologien wie optisches Rechnen, integrierte Photonik und digitale Holographie erfordern alle eine flexible Manipulation von Lichtsignalen im dreidimensionalen Raum. Dabei kommt es darauf an, den Lichtfluss entsprechend der gewünschten Anwendung zu formen und zu lenken.
Da der Lichtfluss innerhalb eines Mediums durch seinen Brechungsindex gesteuert wird, ist eine spezifische Manipulation des Brechungsindex erforderlich, um die optischen Pfade innerhalb des Mediums zu steuern. Um dies zu erreichen, haben Wissenschaftler sogenannte „aperiodische photonische Volumenelemente“ (APVEs) entwickelt, bei denen es sich um Voxel im Mikromaßstab mit spezifischen Brechungsindizes handelt, die an vorgegebenen Positionen platziert sind, um den Lichtfluss kontrolliert zu leiten. Das Schnitzen dieser Elemente erfordert jedoch eine hohe Präzision und die meisten Lichtformungsmaterialien sind auf 2D-Konfigurationen beschränkt oder führen letztendlich zu reduzierten Ausgangsstrahlprofilen.
Eine kürzlich in der Photonik-Fachzeitschrift „APNexus“ veröffentlichte Studie stellte eine einfache Methode zur Herstellung hochpräziser APVEs vor und demonstrierte deren Einsatz in einer Reihe von Anwendungen. Die Forschung wurde von Alexander Jesacher von der Medizinischen Universität Innsbruck in Österreich geleitet und überwindet die zuvor erwähnten Einschränkungen bei der Lichtformung.
Die Methode nutzt eine Technik namens „Direct Laser Writing“ (DLW), eine Hochgeschwindigkeitslasertechnologie, die Voxel mit spezifischen Brechungsindizes dreidimensional im Inneren von Borosilikatglas anordnet, um Licht für verschiedene Anwendungen präzise zu leiten.
Berichten zufolge haben die Forscher einen Algorithmus entwickelt, der das durch das Medium hindurchtretende Licht dazu anregt, die optimale Position der Voxel zu bestimmen und so die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Auf dieser Grundlage konnten sie in 154,000 Minuten 308,000 bis 20 Voxel erzeugen, wobei jedes Voxel ein Volumen von etwa 1.75 μm × 7.5 μm × 10 μm hatte. Darüber hinaus nutzten sie eine dynamische Wellenfrontsteuerung, um etwaige sphärische Aberrationen (Strahlprofilverzerrungen) des auf das Substrat fokussierten Lasers während des Prozesses zu kompensieren. Dies stellte die Konsistenz des Profils jedes Voxels in jeder Tiefe innerhalb des Mediums sicher.
Das Team entwickelte drei Arten von APVEs, um die Anwendbarkeit der Methode zu demonstrieren: einen Intensitätsformer zur Steuerung der Intensitätsverteilung des Eingangsstrahls, einen RGB-Multiplexer zur Steuerung der Übertragung roter, grüner und blauer Spektren im Eingangsstrahl und a Sortierer im Hermite-Gauß-Modus (HG) zur Verbesserung der Datenübertragungsgeschwindigkeit.
Das Team verwendete den Intensitätsformer, um einen Gaußschen Strahl in eine lächelnde bogenförmige Lichtverteilung im Mikromaßstab umzuwandeln, verwendete dann den Multiplexer, um verschiedene Teile der lächelnden bogenförmigen Verteilung in verschiedenen Farben darzustellen, und verwendete schließlich den HG-Modussortierer, um mehrere umzuwandeln Gaußsche Moden, die von optischen Fasern in HG-Moden übertragen werden. In allen Fällen war das Gerät in der Lage, das Eingangssignal ohne nennenswerte Verluste zu übertragen und eine rekordverdächtige Beugungseffizienz von bis zu 80 % zu erreichen, was einen neuen Maßstab für APVEs setzt.
Diese neue Methode öffnet die Tür zu einer idealen, kostengünstigen Plattform für das schnelle Prototyping hochintegrierter 3D-Lichtformungsgeräte. Zusätzlich zu seiner Einfachheit, geringen Kosten und hohen Präzision kann diese Methode auch auf andere Substrate, einschließlich nichtlinearer Materialien, ausgeweitet werden. Aufgrund seiner Flexibilität eignet es sich für die Entwicklung einer breiten Palette von 3D-Geräten für den Einsatz in Bereichen wie Informationsübertragung, optische Datenverarbeitung, Multimode-Faserbildgebung, nichtlineare Photonik und Quantenoptik.
Quelle aus ofweek.com
