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等现代技术要求在三维空间中操纵光信号。为此，必须能够根据其所需的应用来塑造和引导光的流动。鉴于介质内的光流受折射率控制，需要对折射率进行特定的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“非周期光子体积元件”(APVEs)，即具有特定折射率的微观体素，位于预定义的位置，以受控方式引导光的流动。然而，雕刻这些元素需要很高的精度，大多数塑光材料仅限于2D配置或最终降低输出光束轮廓。

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制造用于各种应用的高精度APVE。该方法使用一种称为“直接激光写入”的技术，用于硼硅酸盐玻璃内特定折射率的体素的3D排列。

在他们的研究中，研究人员设计了一种算法，该算法刺激光通过介质的流动，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154分钟内生成000，308至000，1个体素，每个体素占据约75.7μm×5.10μm×20μm的体积。此外，他们使用动态波前控制来补偿激光聚焦在基板上期间的任何球差(光束轮廓失真)。这确保了每个体素剖面在介质内所有深度的一致性。

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，操纵输入光束的红绿蓝(RGB)光谱传输的RGB多路复用器，以及用于提高数据传输速度的Hermite-Gaussian(HG)模式分选器。

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模式分选器将光纤提供的多个高斯模式输入转换为HG模式。在所有情况下，这些器件都能够在没有明显损失的情况下传输输入信号，并实现了高达80%的创纪录高衍射效率，为APVE标准设定了新的基准。

“本文报道的结果极大地推动了超快激光直接写入领域的发展。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。“展示一种用于生产一致、可重复和可靠的APVE的可靠方法，不仅增加了该领域的现有知识，而且还为应用光子学开辟了新的途径，”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。“我们方法的灵活性可以使其可用于设计各种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，”Jesacher总结道。