Ein vollständig faserbasierter Ansatz zur Erzeugung spezieller optischer Strahlen, sogenannter Bessel-Strahlen, könnte neue Anwendungen in der Bildgebung, beim optischen Einfangen und in der Kommunikation eröffnen.
Bessel-Strahlen sehen ganz anders aus als die üblichen Gaußschen Lichtstrahlen, die in der Optik zu finden sind. Insbesondere besitzen sie mehrere interessante Eigenschaften, darunter Selbstheilung, beugungsfreie Ausbreitung und die Fähigkeit, den Bahndrehimpuls (OAM) zu tragen. Diese Strahlfamilie – auch bekannt als Vortex-Strahlen mit einer charakteristischen ringförmigen Form und einem dunklen zentralen Bereich – umfasst verschiedene „Ordnungen“ von Strahlen, die unterschiedliche OAM-Werte tragen.
Die Erzeugung von Bessel-Strahlen ist jedoch etwas unbequem: Mehrere große optische Elemente, wie räumliche Lichtmodulatoren oder kegelförmige Axicons, werden benötigt, um Gaußsche Strahlen in Bessel-Strahlen umzuwandeln.
Jetzt haben Innem Reddy, Andrea Bertoncini und Carlo Liberale von KAUST experimentell gezeigt, dass eine maßgefertigte optische Faser die Aufgabe erledigen und bei Bedarf einen bestimmten Bessel-Strahl erzeugen kann. Ihre Ergebnisse haben sie in veröffentlicht Optik.
„Die Erzeugung von Bessel-Strahlen mit herkömmlichen Techniken erfordert platzraubende, teure optische Elemente, die eine präzise Ausrichtung erfordern“, erklärt Reddy, ein Ph.D. Schüler in der Gruppe. „Indem wir uns für eine faserbasierte Lösung entscheiden, können wir einen kompakten Bessel-Strahlgenerator erhalten, der vorjustiert ist und diese Strahlen auch in abgelegenen und beengten Räumen, wie z. B. endoskopischen Anwendungen, liefern kann.“
„Insbesondere die faserbasierte Erzeugung von Bessel-Strahlen ermöglicht innovative Anwendungen wie minimal-invasive endoskopische Sonden, optische Kohärenztomographie, faserbasiertes optisches Einfangen und Manipulieren mikroskopischer Partikel.“
Die Faser des Teams ist ein Meisterwerk der individuellen Ingenieurskunst. Sie verwenden eine Technik namens Zwei-Photonen-Lithographie (TPL), die den 3D-Druck komplizierter optischer Strukturen ermöglicht, um spezielle Strahlformungselemente direkt auf der Spitze einer optischen Singlemode-Faser herzustellen. Ihr Design besteht aus drei Segmenten, die gemeinsam einen herkömmlichen Gaußschen Strahl effizient ausrichten und in einen ringförmigen Strahl und schließlich einen Bessel-Strahl der gewünschten Ordnung und des gewünschten OAM-Werts umwandeln.
Die Arbeit ist der jüngste Triumph in einem Forschungsprogramm, das beabsichtigt, das Potenzial der TPL-Technik zu nutzen, bei der Licht verwendet wird, um feine optische Strukturen zu „schreiben“, indem ein Fotolack verfestigt wird.
Das Team hat TPL bereits verwendet, um Fasern auf andere Weise anzupassen, einschließlich der Erstellung von Polarisationsstrahlteilern, Mikrolinsenbaugruppen und optischen Pinzetten. „Die Herstellung immer ausgefeilterer optischer Geräte am Ende von Glasfasern, um sie in die Lage zu versetzen, komplexe Funktionalitäten bereitzustellen, ist eine der Hauptforschungsrichtungen unserer Gruppe“, sagt Liberale.
Innem VAK Reddy et al, 3D-gedruckter faserbasierter Besselstrahlgenerator nullter und höherer Ordnung, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.453839