Les technologies modernes telles que l’informatique optique, la photonique intégrée et l’holographie numérique nécessitent que les signaux lumineux soient manipulés en trois dimensions. Pour cela, il est nécessaire de pouvoir façonner et guider le flux lumineux en fonction de son application souhaitée. Étant donné que le flux de lumière dans un milieu est régi par l’indice de réfraction, une adaptation spécifique de l’indice de réfraction est nécessaire pour réaliser le contrôle du trajet de la lumière dans le milieu.
À cette fin, les scientifiques ont développé ce qu’on appelle des « éléments de volume photonique apériodique » (APVE), des voxels microscopiques avec des indices de réfraction spécifiques situés à des positions prédéfinies pour diriger le flux de lumière de manière contrôlée. Cependant, la sculpture de ces éléments nécessite un haut degré de précision, et la plupart des matériaux de mise en forme de la lumière sont limités à des configurations 2D ou finissent par dégrader le profil du faisceau lumineux de sortie.
Dans une étude récente publié dans Nexus photonique avancé (APNexus), des chercheurs dirigés par Alexander Jesacher de l’Université médicale d’Innsbruck en Autriche ont proposé une approche simple pour fabriquer des APVE très précis pour une gamme d’applications. La méthode utilise une technique appelée « écriture laser directe » pour l’arrangement 3D de voxels d’indices de réfraction spécifiques à l’intérieur du verre borosilicaté.
Dans leur étude, les chercheurs ont conçu un algorithme qui stimule le flux de lumière à travers un milieu afin de déterminer le placement optimal des voxels pour atteindre la précision nécessaire. Sur cette base, ils ont pu générer entre 154 000 et 308 000 voxels, chacun occupant un volume d’environ 1,75 µm × 7,5 µm × 10 µm, en seulement 20 minutes. De plus, ils ont utilisé un contrôle dynamique du front d’onde pour compenser toute aberration sphérique (distorsion du profil du faisceau) lors de la focalisation du laser sur le substrat. Cela a assuré la cohérence de chaque profil de voxel à toutes les profondeurs du milieu.
L’équipe a développé trois types d’APVE pour démontrer l’applicabilité de la méthode : un shaper d’intensité pour contrôler la distribution d’intensité du faisceau d’entrée, un multiplexeur RVB qui a manipulé la transmission des spectres rouge-vert-bleu (RVB) du faisceau d’entrée , et un trieur de mode Hermite-Gaussien (HG) pour améliorer les vitesses de transfert de données.
L’équipe a utilisé le modeleur d’intensité pour convertir un faisceau gaussien en une distribution de lumière microscopique en forme de smiley, suivi du multiplexeur pour représenter différentes parties de la distribution des smileys dans différentes couleurs, et enfin le trieur de mode HG pour convertir plusieurs entrées en mode gaussien fournies par les fibres optiques en modes HG. Dans tous les cas, les appareils ont pu transmettre le signal d’entrée sans perte significative et ont atteint une efficacité de diffraction record allant jusqu’à 80 %, établissant une nouvelle référence pour la norme des APVE.
« Les résultats rapportés dans cet article font progresser considérablement le domaine de l’écriture directe laser ultrarapide. La nouvelle méthode pourrait ouvrir les portes d’une plate-forme idéale à faible coût pour un prototypage rapide de façonneurs de lumière 3D hautement intégrés », déclare Paulina Segovia, membre du comité de rédaction d’APNexus. Olvera du Centre de recherche scientifique et d’enseignement supérieur d’Ensenada (CICESE). « La démonstration d’une méthode solide pour produire des APVE cohérents, reproductibles et fiables ajoute non seulement aux connaissances actuelles dans le domaine, mais ouvre également de nouvelles voies en photonique appliquée », ajoute-t-elle.
La méthode, en plus de sa simplicité, de son faible coût et de sa grande précision, peut probablement aussi être étendue à d’autres substrats, y compris des matériaux non linéaires. « La flexibilité de notre méthode pourrait la rendre viable pour concevoir une large gamme de dispositifs 3D pour des applications dans le transport de l’information, l’informatique optique, l’imagerie par fibre multimode, la photonique non linéaire et l’optique quantique », conclut Jesacher.
Plus d’information:
Nicolas Barré et al, Éléments volumiques photoniques apériodiques écrits directement au laser pour une mise en forme complexe de la lumière à haut rendement : conception et fabrication inverses, Nexus photonique avancé (2023). DOI : 10.1117/1.APN.2.3.036006