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May 30, 2023

Fibra

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 20920 (2022) Cita questo articolo 1403 Accessi 1 Citazioni 2 Dettagli metriche altmetriche La generazione di campi luminosi su misura con controlli spaziali

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20920 (2022) Citare questo articolo

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La generazione di campi luminosi su misura con intensità e distribuzione di fase controllate spazialmente è essenziale in molte aree della scienza e delle applicazioni, mentre la creazione di tali modelli in remoto ha recentemente definito una sfida chiave. Qui presentiamo un concetto compatibile con la fibra per la generazione remota di complessi modelli di intensità tridimensionale multi-focale con fasi relative regolate tra i singoli fuochi. Estendendo il noto principio di Huygens, dimostriamo, in simulazioni ed esperimenti, che il nostro approccio basato sull'interferenza consente il controllo sia dell'intensità che della fase dei singoli punti focali in una serie di punti distribuiti in tutte e tre le direzioni spaziali. Gli ologrammi sono stati implementati utilizzando la nanostampa 3D su substrati planari e fibre ottiche, mostrando un eccellente accordo tra progettazione e strutture implementate. Oltre ai substrati planari, sono stati generati ologrammi anche su fibre monomodali modificate, creando distribuzioni di intensità costituite da circa 200 fuochi individuali distribuiti su più piani dell'immagine. Lo schema presentato produce un percorso innovativo per l’olografia digitale 3D a fase controllata su distanze remote, offrendo un’enorme potenziale applicazione in campi come la tecnologia quantistica, le scienze della vita, la bioanalisi e le telecomunicazioni. Nel complesso, tutti i campi che richiedono un'eccitazione precisa di risonanze ottiche di ordine superiore, tra cui la nanofotonica, le fibre ottiche e la tecnologia delle guide d'onda, trarranno vantaggio da questo concetto.

La creazione desiderata di modelli di campo arbitrari con distribuzione spaziale complessa è richiesta in molte aree della scienza e delle applicazioni, tra cui il campo oscuro1,2, il foglio luminoso3,4 e la microscopia a illuminazione strutturata (SIM)5,6, il recupero della posizione su scala nanometrica 3D7, eccitazione di modalità di fibra di ordine superiore8,9 e accoppiamento a fibre multicore nell'ambito delle telecomunicazioni10. Alcune di queste applicazioni richiedono la generazione di più fuochi individuali all'interno di uno o più piani focali, essendo inoltre rilevanti in applicazioni come la nanostampa 3D parallelizzata11, l'intrappolamento e il tracciamento ottico simultanei in più posizioni12 e la raccolta parallela di luce di emettitori diffusivi nell'optofluidica13 ,14. Inoltre, la generazione controllabile e riproducibile di tali schemi luminosi in modo remoto è un’altra sfida chiave che ha il potenziale per aprire ulteriori aree di applicazione.

Oltre ai concetti che si basano su strutture risonanti come le metasuperfici dielettriche15 o la plasmonica16, un approccio ampiamente utilizzato per creare schemi di luce a fuoco singolo e multifocale si basa su maschere di fase personalizzate nel piano di apertura che utilizzano l'interferenza per creare lo schema focale desiderato nell'immagine aereo17,18. In questo caso vengono ampiamente utilizzati approcci come le maschere di ampiezza o di fase18, con gli ologrammi di fase che mostrano un'efficienza sostanzialmente migliore rispetto alle maschere di ampiezza18. Un punto importante è la strategia di implementazione concreta, che ha un impatto diretto sulle prestazioni del rispettivo dispositivo: ad esempio, Rif.18,19 confronta diversi tipi di piastre di fase. Le maschere di fase a 2 livelli, che da un punto di vista tecnologico impiegano il tipo più semplice di strategia di fabbricazione, mostrano efficienze limitate di circa il 40%. Le maschere di fase multilivello, inclusi i profili kinoform continui, possono raggiungere efficienze molto più elevate.

In uno scenario tipico, è nota solo la distribuzione dell'intensità desiderata senza alcuna conoscenza della fase associata, impedendo l'ingegnerizzazione diretta della maschera di fase. Per affrontare questo problema intrinseco, vengono comunemente utilizzati metodi di calcolo numerico iterativo come gli algoritmi iterativi di trasformata di Fourier IFTA20,21,22,23 (ad esempio, l'algoritmo di Gerchberg-Saxton17,24). Questi metodi sono intensivi dal punto di vista computazionale e richiedono condizioni di input ben scelte, poiché la distribuzione di fase calcolata dipende fortemente dall'input, fornendo quindi una soluzione ragionevole solo per input scelti correttamente. Inoltre, solitamente non esistono soluzioni uniche e la probabilità di stagnazione dell’algoritmo quando ci si avvicina ai minimi locali non è trascurabile. Va notato che nella maggior parte dei casi, gli approcci iterativi non sono in grado di ottimizzare gli ologrammi rispetto alla distribuzione di fase desiderata, il che è problematico in situazioni in cui è necessario controllare sia l'intensità che la fase o la polarizzazione, come nell'eccitazione di ordini di ordine superiore modalità fibra.