研究人员直接在光纤上制造微型光束整形器

图：研究人员使用3D激光打印技术直接在光纤末端制造出高质量、复杂的聚合物光学器件。图为该器件的扫描电子显微镜图像。它包括用于光准直的抛物面透镜和用于扭曲光的扭曲轴棱镜。来源：Shlomi Litman, Soreq Nuclear Research Center

       研究人员表明，3D激光打印可用于直接在光纤末端制造高质量、复杂的聚合物光学器件。这种微光学器件的细节比头发的直径还小，可以提供一种极其紧凑、廉价的方法来为各种应用定制光束。

       Shlomi Lightman说：“通信技术、互联网和许多其他应用都是基于光纤的。”。“当光线从光纤中出来时，通常会使用大型笨重的光学元件将其路由到下一个位置。我们的方法通过将路由过程集成到光纤本身，将此过程的大小和成本降至最低。”

       相关研究发表在《Optics Letter》，Lightman和他的同事描述了他们是如何在光纤上直接制造微型多分量光束整形器的。该装置将普通激光转化为扭曲的贝塞尔光束，该光束携带轨道角动量，不会像典型光束那样在空间中膨胀。

       研究人员在不到5分钟的时间内制作出了整个微光学器件。光纤和微型光学设备的价格不到100美元，大约是用于类似功能的标准显微镜物镜价格的十分之一。

       “直接从光纤产生贝塞尔光束的能力可用于粒子操纵或光纤集成受激发射损耗（STED）显微镜，这是一种产生超分辨率图像的技术，”Lightman说。“我们的制造方法还可以通过在普通的透镜上打印小结构，将其升级为更高质量的智能透镜。”

精确规划

       为了制造这种微小的光学器件，研究人员使用了一种叫做3D直接激光打印的制造技术。这种技术使用带有飞秒脉冲的激光束在光敏光学材料中产生双光子吸收。只有发生双光子吸收的微小体积才会变为固体，从而提供了一种创建高分辨率3D元素的方法。

       虽然这种3D直接激光打印已经广泛应用，但在光纤端头上制作这样小的光学元件时，很难获得正确的比例和对准。Lightman说：“在开始制造过程之前，我们通过进行高精度的2D和3D模拟，克服了这个障碍。”。“此外，我们必须仔细考虑如何将光学元件相互集成，然后将其与光纤芯对齐。”

       在根据模拟进行仔细设计制造过程后，研究人员使用商业3D直接激光写入系统和高光学质量光敏聚合物，在单模光纤末端打印直径为60微米、高度为110微米的110微米光学器件。该装置包括用于光线准直的抛物面透镜和用于扭曲光线的螺旋轴棱镜。这将光纤中的光转换成扭曲的贝塞尔光束。

图：研究人员创建了一个光学测量系统，用于分析所制造的器件定制的光束的性能。光束显示出非常低的衍射，激光功率可以达到接近10 MW/cm2。来源：Shlomi Lightman, Soreq Nuclear Research Center

高质量光传播

       为了分析制作的光学器件的质量，研究人员建立了一个光学测量系统，以捕获从修改后的光纤传输的整形光束。他们在光束中观察到非常低的衍射，这意味着它可以用于STED显微镜和粒子操作等应用。

             他们还发现，激光功率可能达到接近10 MW/cm2，而不会损坏制作的微光学器件。这表明，即使该装置是由聚合物制成的，聚合物比玻璃更容易受到高功率的热损伤，它仍然可以用来产生相对较高的激光功率。

       现在，研究人员已经证明，使用这种直接3D激光打印方法可以创建精确的多元素微光学，他们正在使用含有低比例聚合物的混合光敏材料进行实验。与聚合物材料相比，这些材料可以生产出质量更高的光学元件，这些光学元件的保质期更长，对高激光功率的耐受性更强。

[1] Shlomi Lightman et al, Vortex-Bessel beam generation by 3D direct printing of an integrated multi-optical element on a fiber tip, Optics Letters (2022). DOI: 10.1364/OL.470924