开发高效高精度3D光整形器的新方法

光学计算、集成光子学和数字全息术等现代技术需要在三个维度上操纵光信号。为实现这一目标，必须能够根据所需的应用来塑造和引导光流。鉴于介质内的光流受折射率控制，需要对折射率进行特定调整以实现对介质内光路的控制。

为此，科学家们开发了所谓的“非周期性光子体积元件”(APVE)，即具有位于预定位置的特定折射率的微观体素，以可控方式引导光流。然而，雕刻这些元素需要很高的精度，而且大多数塑光材料仅限于 2D 配置，否则最终会降低输出光束轮廓。

在最近 发表在 Advanced Photonics Nexus (APNexus)上的一项研究中，由奥地利因斯布鲁克医科大学的 Alexander Jesacher 领导的研究人员提出了一种简单的方法来为一系列应用制造高精度的 APVE。该方法使用一种称为“直接激光写入”的技术来对硼硅酸盐玻璃内具有特定折射率的体素进行 3D 排列。

在他们的研究中，研究人员设计了一种算法，通过介质刺激光流，以确定体素的最佳位置，以实现必要的精度。基于此，他们能够在短短 20 分钟内生成 154,000 到 308,000 个体素，每个体素占据大约 1.75 µm × 7.5 µm × 10 µm的体积。此外，他们使用动态波前控制来补偿激光在基板上聚焦期间的任何球面像差(光束轮廓失真)。这确保了介质内所有深度的每个体素轮廓的一致性。

该团队开发了三种类型的 APVE 来证明该方法的适用性：用于控制输入光束强度分布的强度整形器，用于控制输入光束的红-绿-蓝 (RGB) 光谱传输的 RGB 多路复用器和 Hermite–Gaussian (HG) 模式分选器以提高数据传输速度。

该团队使用强度整形器将高斯光束转换为微观笑脸形光分布，然后使用多路复用器以不同颜色表示笑脸分布的不同部分，最后使用 HG 模式分类器将多个高斯模式输入转换为光纤进入 HG 模式。在所有情况下，这些设备都能够在没有明显损失的情况下传输输入信号，并实现了创纪录的高达 80% 的衍射效率，为 APVE 的标准设定了新的基准。

“本文报告的结果极大地推进了超快激光直写领域。这种新方法可以为高度集成的 3D 光整形器的快速原型制作打开理想的低成本平台的大门，”恩塞纳达科学研究和高等教育中心 (CICESE) 的 APNexus 编辑委员会成员 Paulina Segovia-Olvera 说。“生产一致、可重复和可靠的 APVE 的可靠方法的演示不仅增加了该领域的当前知识，而且还为应用光子学开辟了新途径，”她补充道。

该方法除了简单、低成本和高精度外，还可以扩展到其他基板，包括非线性材料。Jesacher 总结道：“我们方法的灵活性使其可以用于设计广泛的 3D 设备，用于信息传输、光学计算、多模光纤成像、非线性光子学和量子光学等领域的应用。”