Neuer Ansatz zur Entwicklung effizienter und hochpräziser 3D-Lichtformer

Moderne Technologien wie Optical Computing, integrierte Photonik und digitale Holographie erfordern die Manipulation von Lichtsignalen in drei Dimensionen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, den Lichtstrom entsprechend seiner gewünschten Anwendung zu formen und zu lenken. Da der Lichtfluss innerhalb eines Mediums durch den Brechungsindex bestimmt wird, ist eine spezifische Anpassung des Brechungsindex erforderlich, um eine Steuerung des Lichtwegs innerhalb des Mediums zu realisieren.

Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler sogenannte „aperiodische photonische Volumenelemente“ (APVEs) entwickelt, mikroskopisch kleine Voxel mit spezifischen Brechungsindizes, die sich an vordefinierten Positionen befinden, um den Lichtfluss kontrolliert zu lenken. Das Formen dieser Elemente erfordert jedoch ein hohes Maß an Präzision, und die meisten lichtformenden Materialien sind auf 2D-Konfigurationen beschränkt oder verschlechtern letztendlich das Profil des Ausgangslichtstrahls.

In einer aktuellen Studie veröffentlicht In Advanced Photonics Nexus (APNexus) schlugen Forscher unter der Leitung von Alexander Jesacher von der Medizinischen Universität Innsbruck in Österreich einen einfachen Ansatz zur Herstellung hochpräziser APVEs für eine Reihe von Anwendungen vor. Das Verfahren verwendet eine Technik namens „direktes Laserschreiben“ für die 3D-Anordnung von Voxeln mit bestimmten Brechungsindizes in Borosilikatglas.

In ihrer Studie entwarfen die Forscher einen Algorithmus, der den Lichtfluss durch ein Medium stimuliert, um die optimale Platzierung von Voxeln zum Erreichen der erforderlichen Präzision zu bestimmen. Auf dieser Grundlage konnten sie innerhalb von nur 20 Minuten zwischen 154.000 und 308.000 Voxel erzeugen, die jeweils ein Volumen von etwa 1,75 µm × 7,5 µm × 10 µm einnehmen. Zusätzlich verwendeten sie eine dynamische Wellenfrontsteuerung, um jegliche sphärische Aberration (Strahlprofilverzerrung) während der Fokussierung des Lasers auf dem Substrat zu kompensieren. Dies stellte die Konsistenz jedes Voxelprofils in allen Tiefen 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, der die Übertragung der Rot-Grün-Blau-Spektren (RGB) des Eingangsstrahls manipulierte und einen Sortierer im Hermite-Gauß-Modus (HG) zur Verbesserung der Datenübertragungsgeschwindigkeiten.

Das Team verwendete den Intensitätsformer, um einen Gaußschen Strahl in eine mikroskopisch kleine Smiley-förmige Lichtverteilung umzuwandeln, gefolgt vom Multiplexer, um verschiedene Teile der Smiley-Verteilung in verschiedenen Farben darzustellen, und schließlich den HG-Modus-Sortierer, um mehrere Gaußsche Modus-Eingaben umzuwandeln, die von geliefert wurden die optischen Fasern in HG-Modi. In allen Fällen konnten die Geräte das Eingangssignal ohne nennenswerte Verluste übertragen und erreichten eine rekordhohe Beugungseffizienz von bis zu 80 Prozent, was einen neuen Maßstab für den Standard von APVEs setzt.

„Die in diesem Artikel berichteten Ergebnisse bringen das Gebiet des ultraschnellen Laserdirektschreibens erheblich voran. Die neuartige Methode könnte Türen zu einer idealen kostengünstigen Plattform für ein schnelles Prototyping von hochintegrierten 3D-Lichtformern öffnen“, sagt Paulina Segovia, Mitglied des APNexus-Redaktionsausschusses. Olvera vom Zentrum für wissenschaftliche Forschung und Hochschulbildung in Ensenada (CICESE). „Die Demonstration einer soliden Methode zur Herstellung konsistenter, reproduzierbarer und zuverlässiger APVEs trägt nicht nur zum aktuellen Wissen auf dem Gebiet bei, sondern eröffnet auch neue Wege in der angewandten Photonik“, fügt sie hinzu.

Das Verfahren kann neben seiner Einfachheit, niedrigen Kosten und hohen Präzision wahrscheinlich auch auf andere Substrate, einschließlich nichtlinearer Materialien, ausgedehnt werden. „Die Flexibilität unserer Methode könnte sie für den Entwurf einer breiten Palette von 3D-Geräten für Anwendungen in den Bereichen Informationstransport, optisches Computing, Multimode-Faserbildgebung, nichtlineare Photonik und Quantenoptik praktikabel machen“, schließt Jesacher.