Блог

May 30, 2023

Волокно

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 20920 (2022) Цитировать эту статью 1403 Доступов 1 Цитирования 2 Подробности о альтметрических метриках Генерация индивидуальных световых полей с пространственно управляемыми

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20920 (2022) Цитировать эту статью

1403 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Генерация специализированных световых полей с пространственно контролируемой интенсивностью и распределением фазы имеет важное значение во многих областях науки и приложений, в то время как создание таких структур удаленно в последнее время стало ключевой задачей. Здесь мы представляем концепцию, совместимую с оптоволокном, для удаленной генерации сложных многофокусных трехмерных моделей интенсивности с регулируемыми относительными фазами между отдельными фокусами. Расширяя известный принцип Гюйгенса, мы демонстрируем с помощью моделирования и экспериментов, что наш интерференционный подход позволяет контролировать как интенсивность, так и фазу отдельных фокусных точек в массиве пятен, распределенных во всех трех пространственных направлениях. Голограммы были реализованы с помощью 3D-нанопечати на плоских подложках и оптических волокнах, что продемонстрировало превосходное соответствие между дизайном и реализованными структурами. Помимо плоских подложек, голограммы также генерировались на модифицированных одномодовых волокнах, создавая распределения интенсивности, состоящие примерно из 200 отдельных фокусов, распределенных по нескольким плоскостям изображения. Представленная схема открывает инновационный путь для фазово-управляемой цифровой 3D-голографии на удаленных расстояниях, что дает огромный потенциал применения в таких областях, как квантовые технологии, науки о жизни, биоаналитика и телекоммуникации. В целом эта концепция принесет пользу всем областям, требующим точного возбуждения оптических резонансов более высокого порядка, включая нанофотонику, волоконную оптику и волноводную технологию.

Желаемое создание произвольных структур поля со сложным пространственным распределением требуется во многих областях науки и приложений, включая темнопольное1,2, световое поле3,4 и микроскопию со структурированным освещением (SIM)5,6, 3D-наномасштабное определение положения7, возбуждение волоконных мод высшего порядка8,9 и соединение с многожильными волокнами в телекоммуникациях10. Некоторые из этих приложений требуют создания нескольких отдельных фокусов в одной или нескольких фокальных плоскостях, что дополнительно актуально в таких приложениях, как параллельная 3D-нанопечать11, одновременный оптический захват и отслеживание в нескольких местах12 и параллельный сбор света рассеивающих излучателей в оптофлюидике13 ,14. Кроме того, контролируемая и воспроизводимая генерация таких световых узоров удаленным способом является еще одной ключевой задачей, которая потенциально может открыть новые области применения.

В дополнение к концепциям, основанным на резонансных структурах, таких как диэлектрические метаповерхности15 или плазмоника16, широко используемый подход для создания одно- и многофокусных световых диаграмм основан на индивидуальных фазовых масках в плоскости апертуры с использованием интерференции для создания желаемой фокальной диаграммы на изображении. самолет17,18. Здесь широко используются такие подходы, как амплитудные или фазовые маски18, причем фазовые голограммы показывают существенно большую эффективность, чем амплитудные маски18. Важным моментом является конкретная стратегия реализации, которая оказывает непосредственное влияние на производительность соответствующего устройства: например, в ссылках 18,19 сравниваются различные типы фазовых пластин. Двухуровневая фазовая маска, в которой с технологической точки зрения используется простейшая стратегия изготовления, демонстрирует ограниченную эффективность, составляющую около 40%. Многоуровневые фазовые маски, включая непрерывные киноформные профили, позволяют достичь гораздо более высокой эффективности.

В типичном сценарии известно только желаемое распределение интенсивности без каких-либо знаний о соответствующей фазе, что предотвращает прямое проектирование фазовой маски. Для решения этой внутренней проблемы обычно используются числовые итеративные методы расчета, такие как алгоритмы итерационного преобразования Фурье IFTA20,21,22,23 (например, алгоритм Герхберга-Сакстона17,24). Эти методы требуют больших вычислительных ресурсов и требуют хорошо выбранных входных условий, поскольку рассчитанное распределение фазы сильно зависит от входных данных и, следовательно, дает разумное решение только для правильно выбранных входных данных. Кроме того, обычно не существует единственных решений и вероятность стагнации алгоритма при приближении к локальному минимуму не является незначительной. Следует отметить, что в большинстве случаев итерационные подходы не позволяют оптимизировать голограммы относительно желаемого распределения фазы, что проблематично в ситуациях, когда необходимо контролировать как интенсивность, так и фазу или поляризацию, например, при возбуждении более высокого порядка. моды волокна.