Nuovo approccio allo sviluppo di modellatori di luce 3D efficienti e ad alta precisione.

22 aprile 2023

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

• verifica dei fatti
• fonte affidabile
• corretta

da SPIE

Tecnologie moderne come l'elaborazione ottica, la fotonica integrata e l'olografia digitale richiedono che i segnali luminosi siano manipolati in tre dimensioni. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario modellare e guidare il flusso di luce in base all'applicazione desiderata. Dato che il flusso di luce all'interno di un mezzo è regolato dall'indice di rifrazione, è necessario adattare specificamente l'indice di rifrazione per il controllo del percorso luminoso all'interno del mezzo. 

A tal fine, gli scienziati hanno sviluppato quello che chiamano 'elementi volumetrici fotici aperiodici' (APVE), voxel microscopici con indici di rifrazione specifici posizionati in posizioni predefinite per dirigere il flusso di luce in modo controllato. Tuttavia, la scultura di questi elementi richiede un alto grado di precisione e la maggior parte dei materiali di modellamento della luce è limitata a configurazioni bidimensionali o finisce per degradare il profilo del fascio luminoso in uscita.

In uno studio recente pubblicato in Advanced Photonics Nexus (APNexus), i ricercatori guidati da Alexander Jesacher dell'Università medica di Innsbruck in Austria hanno proposto un approccio semplice alla fabbricazione di APVE altamente precisi per una gamma di applicazioni. Il metodo utilizza una tecnica chiamata "scrittura laser diretta" per l'arrangiamento 3D di voxel di indici di rifrazione specifici all'interno del vetro borosilicato.

Nello studio, i ricercatori hanno progettato un algoritmo che stimola il flusso di luce attraverso un mezzo per determinare il posizionamento ottimale di voxel per ottenere la necessaria precisione. Sulla base di questo, sono stati in grado di generare tra 154.000 e 308.000 voxel, ciascuno occupando un volume di circa 1,75 µm × 7,5 µm × 10 µm, in soli 20 minuti. Inoltre, hanno utilizzato il controllo dinamico della forma d'onda per compensare eventuali aberrazioni sferiche (distorsioni del profilo del fascio) durante la messa a fuoco del laser sul substrato. Ciò ha garantito la coerenza di ciascun profilo voxel a tutte le profondità all'interno del mezzo.

Il team ha sviluppato tre tipi di APVE per dimostrare l'applicabilità del metodo: un modellatore di intensità per controllare la distribuzione di intensità del fascio in ingresso, un moltiplicatore RGB che ha manipolato la trasmissione degli spettri rosso-verde-blu (RGB) del fascio in ingresso e un ordinatore di modello Hermite-Gaussian (HG) per migliorare la velocità di trasferimento dati.

Il team ha utilizzato il modellatore di intensità per convertire un fascio gaussiano in una distribuzione luminosa a forma di faccina microscopica, seguito dal moltiplicatore per rappresentare le diverse parti della distribuzione in diversi colori e infine l'ordinatore di modello HG per convertire più input di modalità gaussiana consegnati dalle fibre ottiche in modalità HG. In tutti i casi, i dispositivi sono stati in grado di trasmettere il segnale in ingresso senza perdita significativa e hanno raggiunto un'efficienza di diffrazione record fino all'80%, stabilendo un nuovo punto di riferimento per lo standard degli APVE.

"I risultati riportati in questo articolo fanno progredire notevolmente il campo della scrittura laser diretta ultra veloce. Il nuovo metodo potrebbe aprire le porte a una piattaforma ideale a basso costo per la prototipazione rapida di modellatori di luce 3D altamente integrati", afferma Paulina Segovia-Olvera, membro del Comitato editoriale APNexus del Center for Scientific Research and Higher Education di Ensenada (CICESE). "La dimostrazione di un solido metodo per la produzione coerente, riproducibile e affidabile di APVE non solo aggiunge alle conoscenze attuali in campo, ma consente anche nuove strade nella fotonica applicata", aggiunge.

Oltre alla sua semplicità, basso costo e alta precisione, il metodo può probabilmente essere esteso anche ad altri substrati, tra cui materiali non lineari. "La flessibilità del nostro metodo potrebbe renderlo fattibile per la progettazione di una vasta gamma di dispositivi 3D per applicazioni nel trasporto dell'informazione, fotoniche applicate, elaborazione ottica, imaging a fibra multimodale, fotonica non lineare e ottica quantistica", conclude Jesacher.

Prodotto da SPIE