科学家开发出一种高效、高精度3D光成形器的新方法

2023-04-28 09:54

光学计算、集成光子学和数字全息等现代技术，均要求在三维空间中实现光信号的灵活操纵。而在这一过程中，根据其所需的应用来塑造和引导光的流动是非常关键的。

由于介质内的光流受折射率的控制，因此需要对折射率进行特定的裁剪，以实现介质内光路的控制。为此，科学家们开发了所谓的“非周期光子体积元件”（APVEs），这是一种具有特定折射率的微观体素，位于预定位置，以可控的方式引导光的流动。然而，雕刻这些元素需要高度的精度，并且大多数光形材料仅限于2D配置或最终降低输出光束轮廓。

最近，发表在光子学期刊《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精度的APVEs，并将之用于一系列应用。这种方法打破了上述在光成形方面的局限。

该方法使用一种称为“直接激光书写”（direct laser writing）的超快激光技术，在硼硅酸盐玻璃内部对特定折射率的体素进行3D排列，以精确地引导各种应用的光。

据悉，研究人员设计了一种算法，可以刺激光通过介质来确定体素的最佳位置，以达到必要的精度。在此基础上，他们能够在20分钟内生成154000到308000个体素，每个体素的体积约为1．75 μm × 7．5 μm × 10 μm。此外，他们使用动态波前控制，以补偿任何球面像差（光束轮廓畸变）期间聚焦在基板上的激光。这确保了介质中所有深度的每个体素轮廓的一致性。

该团队开发了三种类型的APVEs来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，用于控制输入光束红绿蓝（RGB）光谱传输的RGB多路复用器，以及用于提高数据传输速度的厄米高斯（HG）模式分选器。

该团队使用强度整形器将高斯光束转换为微观笑弧形光分布，然后使用多路复用器以不同颜色表示笑弧形分布的不同部分，最后使用HG模式分选器将光纤传递的多个高斯模式输入转换为HG模式。在所有情况下，该器件都能够在没有明显损耗的情况下传输输入信号，并实现了高达80％的创纪录衍射效率，为APVEs标准设定了新的基准。

这种新方法可以为高度集成的3D光形器的快速原型设计打开一个理想的低成本平台的大门。该方法除了具备简单、低成本和高精度的特点外，还可能扩展到其他基板，包括非线性材料。灵活性的特点，使其适用于设计广泛的3D设备，用于信息传输、光学计算、多模光纤成像、非线性光子学和量子光学等领域。