Nouvelle approche pour développer des façonneurs de lumière 3D efficaces et haute précision

22 avril 2023

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par SPIE

Les technologies modernes telles que l'informatique optique, la photonique intégrée et l'holographie numérique nécessitent la manipulation de signaux lumineux en trois dimensions. Pour y parvenir, il est nécessaire de façonner et de guider le flux de lumière en fonction de l'application souhaitée. Étant donné que le flux lumineux à l'intérieur d'un milieu est régi par l'indice de réfraction, un ajustement spécifique de l'indice de réfraction est nécessaire pour réaliser le contrôle du chemin de la lumière à l'intérieur du milieu.

Pour cela, les scientifiques ont développé ce qu'on appelle des « éléments volumiques photoniques apériodiques » (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 degré élevé 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 publiée dans Advanced Photonics Nexus (APNexus), des chercheurs dirigés par Alexander Jesacher de l'Université médicale d'Innsbruck en Autriche ont proposé une approche simple pour fabriquer des APVE hautement précis pour une gamme d'applications. La méthode utilise une technique appelée « écriture laser directe » pour l'arrangement en 3D de voxels d'indices de réfraction spécifiques à l'intérieur du verre borosilicate.

Dans leur étude, les chercheurs ont conçu un algorithme qui stimule le flux de lumière à travers un milieu pour 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 de la forme d'onde pour compenser toute aberration sphérique (distorsion du profil du faisceau) lors de la mise au point du laser sur le substrat. Cela a assuré la cohérence de chaque profil de voxel à toutes les profondeurs à l'intérieur du milieu.

L'équipe a développé trois types d'APVE pour démontrer l'applicabilité de la méthode : un façonnage 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 Hermitien-Gaussien (HG) pour améliorer les vitesses de transfert de données.

L'équipe a utilisé le façonnage d'intensité pour convertir un faisceau gaussien en une distribution lumineuse en forme de sourire microscopique, suivi du multiplexeur pour représenter différentes parties de la distribution de sourire en différentes couleurs, et enfin le trieur de mode HG pour convertir plusieurs modes gaussiens entrant par les fibres optiques en modes HG. Dans tous les cas, les dispositifs 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 norme pour la qualité des APVE.

« Les résultats rapportés dans cet article font considérablement progresser le domaine de l'écriture laser directe ultra-rapide. La nouvelle méthode pourrait ouvrir la voie à une plate-forme idéale et peu coûteuse pour une prototypage rapide de façonneurs de lumière 3D hautement intégrés », déclare Paulina Segovia-Olvera, membre du comité de rédaction d'APNexus du Centre de recherche scientifique et d'études supérieures à Ensenada (CICESE). « La démonstration d'une méthode solide pour produire des APVE cohérents, reproductibles et fiables n'ajoute pas seulement au savoir actuel dans le domaine, mais ouvre également de nouvelles voies dans la photonique appliquée », ajoute-t-elle.

La méthode, en plus de sa simplicité, de son faible coût et de sa grande précision, peut probablement également être étendue à d'autres substrats, y compris les matériaux non linéaires. « La flexibilité de notre méthode pourrait la rendre viable pour la conception d'une large gamme de dispositifs 3D pour des applications dans le transport d'informations, l'informatique optique, l'imagerie à fibres multimodes, la photonique non linéaire et l'optique quantique », conclut Jesacher.

Fourni par SPIE