Neuer Ansatz zur Entwicklung effizienter, hochpräziser 3D-Lichtformer

22. April 2023

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von SPIE

Modernste Technologien wie optische Computer, integrierte Photonik und digitale Holographie erfordern, dass Lichtsignale in drei Dimensionen manipuliert werden. Dazu ist es notwendig, den Fluss des Lichts entsprechend der gewünschten Anwendung zu formen und zu leiten. Da der Lichtfluss innerhalb eines Mediums durch den Brechungsindex bestimmt wird, ist eine spezifische Anpassung des Brechungsindex erforderlich, um die Kontrolle über den Lichtpfad innerhalb des Mediums zu erreichen.

Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler sogenannte "aperiodische photonische Volumenelemente" (APVEs) entwickelt, mikroskopische Voxels mit spezifischen Brechungsindizes an vordefinierten Positionen, um den Fluss des Lichts kontrolliert zu lenken. Allerdings erfordert das Schnitzen dieser Elemente eine hohe Präzision und die meisten Lichtformmaterialien sind auf 2D-Konfigurationen beschränkt oder beeinträchtigen das Ausgangslichtstrahlprofil.

In einer kürzlich im Advanced Photonics Nexus (APNexus) veröffentlichten Studie 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. Die Methode verwendet eine Technik namens "Direktes Laserschreiben" für die 3D-Anordnung von Voxels mit spezifischen Brechungsindizes innerhalb von Borosilikatglas.

In ihrer Studie entwarfen die Forscher einen Algorithmus, der den Fluss von Licht durch ein Medium stimuliert, um die optimale Platzierung von Voxels für die erforderliche Präzision zu bestimmen. Basierend darauf konnten sie innerhalb von nur 20 Minuten zwischen 154.000 und 308.000 Voxels generieren, von denen jedes ein Volumen von etwa 1,75 µm × 7,5 µm × 10 µm einnimmt. Zusätzlich verwendeten sie die dynamische Wellenfrontkontrolle, um jede sphärische Aberration (Verzerrung des Strahlprofil) bei der Fokussierung des Lasers auf das Substrat zu kompensieren. Dies sicherte die Konsistenz jedes Voxelprofils in allen Tiefen des Mediums.

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 Hermite-Gauss-Modensortierer zur Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeit.

Das Team verwendete den Intensitätsformer, um einen Gauß-Strahl in eine mikroskopische Smiley-förmige Lichtverteilung umzuwandeln, gefolgt vom Multiplexer, um verschiedene Teile der Smiley-Verteilung in verschiedenen Farben darzustellen, und schließlich vom HG-Modensortierer, um mehrere Gauß-Moden-Eingänge, die von den optischen Fasern geliefert wurden, in HG-Moden umzuwandeln. In allen Fällen konnten die Geräte das Eingangssignal ohne signifikanten Verlust übertragen und erreichten eine Rekord-Diffraktionseffizienz von bis zu 80 Prozent, wodurch ein neuer Maßstab für APVEs gesetzt wurde.

"Die in diesem Artikel berichteten Ergebnisse bringen das Feld des ultrafasten Laserdirektschreibens erheblich voran. Die neue Methode könnte Türen für eine ideale, kostengünstige Plattform für die schnelle Prototypenerstellung von hochintegrierten 3D-Lichtformern öffnen", sagt APNexus-Redaktionsmitglied Paulina Segovia-Olvera vom Zentrum für Wissenschaftliche Forschung und Höhere Bildung in Ensenada (CICESE). "Die Demonstration einer soliden Methode zur Herstellung konsistenter, reproduzierbarer und zuverlässiger APVEs trägt nicht nur zum aktuellen Wissen auf diesem Gebiet bei, sondern ermöglicht auch neue Wege in der angewandten Photonik", fügt sie hinzu.

Die Methode kann neben ihrer Einfachheit, geringen Kosten und hohen Präzision wahrscheinlich auch auf andere Substrate, einschließlich nichtlinearer Materialien, erweitert werden. "Die Flexibilität unserer Methode könnte sie für die Gestaltung einer Vielzahl von 3D-Geräten für Anwendungen im Informations-Transport, optischen Computing, Multimode-Faser-Imaging, nichtlinearer Photonik und Quantenoptik geeignet machen", schließt Jesacher.

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