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May 30, 2023

Fibra

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20920 (2022) Citar este artigo 1403 Acessos 1 Citações 2 Detalhes de métricas altmétricas A geração de campos de luz personalizados com controle espacial

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20920 (2022) Citar este artigo

1403 Acessos

1 Citações

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

A geração de campos de luz personalizados com intensidade e distribuição de fase espacialmente controladas é essencial em muitas áreas da ciência e aplicação, enquanto a criação remota de tais padrões definiu recentemente um desafio importante. Aqui, apresentamos um conceito compatível com fibra para a geração remota de padrões complexos de intensidade tridimensional multi-focos com fases relativas ajustadas entre focos individuais. Ao estender o conhecido princípio de Huygens, demonstramos, em simulações e experimentos, que nossa abordagem baseada em interferência permite o controle da intensidade e da fase de pontos focais individuais em uma série de pontos distribuídos nas três direções espaciais. Os hologramas foram implementados utilizando nanoimpressão 3D em substratos planares e fibras ópticas, mostrando excelente concordância entre o design e as estruturas implementadas. Além de substratos planares, hologramas também foram gerados em fibras monomodo modificadas, criando distribuições de intensidade que consistem em cerca de 200 focos individuais distribuídos em múltiplos planos de imagem. O esquema apresentado produz um caminho inovador para holografia digital 3D controlada por fase em distâncias remotas, produzindo um enorme potencial de aplicação em campos como tecnologia quântica, ciências da vida, bioanalítica e telecomunicações. No geral, todos os campos que exigem excitação precisa de ressonâncias ópticas de ordem superior, incluindo nanofotônica, fibra óptica e tecnologia de guia de ondas, se beneficiarão com o conceito.

A criação desejada de padrões de campo arbitrários com distribuição espacial complexa é necessária em muitas áreas da ciência e aplicações, incluindo campo escuro1,2, folha clara3,4 e microscopia de iluminação estruturada (SIM)5,6, recuperação de posição em nanoescala 3D7, excitação de modos de fibra de ordem superior8,9 e acoplamento a fibras multicore em telecomunicações10. Algumas dessas aplicações requerem a geração de múltiplos focos individuais dentro de um ou mais planos focais, sendo adicionalmente relevantes em aplicações como nanoimpressão 3D paralelizada11, captura e rastreamento óptico simultâneo em vários locais12 e coleta paralela de luz de emissores difusores em optofluídica13 ,14. Além disso, a geração controlável e reproduzível de tais padrões de luz de forma remota é outro desafio importante que tem o potencial de abrir outras áreas de aplicações.

Além de conceitos que dependem de estruturas ressonantes, como metassuperfícies dielétricas15 ou plasmônica16, uma abordagem amplamente utilizada para criar padrões de luz de foco único e multifocal depende de máscaras de fase personalizadas no plano de abertura usando interferência para criar o padrão focal desejado na imagem avião17,18. Aqui, abordagens como máscaras de amplitude ou fase são amplamente empregadas, com hologramas de fase mostrando eficiência substancialmente melhor do que máscaras de amplitude. Um ponto importante é a estratégia de implementação concreta, que tem impacto direto no desempenho do respectivo dispositivo: Por exemplo, as Refs.18,19 comparam diferentes tipos de placas de fase. A máscara de fase de 2 níveis, que do ponto de vista tecnológico emprega o tipo mais simples de estratégia de fabricação, apresenta eficiências limitadas de cerca de 40%. Máscaras de fase multinível, incluindo perfis kinoform contínuos, podem atingir eficiências muito maiores.

Num cenário típico, apenas a distribuição de intensidade desejada é conhecida sem qualquer conhecimento da fase associada, impedindo a engenharia direta da máscara de fase. Para resolver esta questão intrínseca, métodos de cálculo iterativos numéricos, como algoritmos de transformada de Fourier iterativos IFTAs20,21,22,23 (por exemplo, algoritmo de Gerchberg-Saxton17,24) são comumente usados. Esses métodos são computacionalmente intensivos e requerem condições de entrada bem escolhidas, uma vez que a distribuição de fase calculada depende fortemente da entrada, produzindo assim apenas uma solução razoável para entradas adequadamente escolhidas. Além disso, normalmente não existem soluções únicas e a probabilidade de estagnação do algoritmo ao se aproximar dos mínimos locais não é desprezível. Deve-se notar que na maioria dos casos, as abordagens iterativas não são capazes de otimizar hologramas em relação à distribuição de fase desejada, o que é problemático em situações onde tanto a intensidade quanto a fase ou a polarização precisam ser controladas, como na excitação de ordem superior. modos de fibra.