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May 30, 2023

Fibre

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 20920 (2022) Citer cet article 1403 Accès 1 Citations 2 Détails des métriques Altmetric La génération de champs lumineux sur mesure avec contrôle spatial

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20920 (2022) Citer cet article

1403 Accès

1 Citation

2 Altmétrique

Détails des métriques

La génération de champs lumineux sur mesure avec une intensité et une distribution de phase contrôlées spatialement est essentielle dans de nombreux domaines scientifiques et d'application, tandis que la création de tels modèles à distance a récemment défini un défi majeur. Nous présentons ici un concept compatible avec les fibres pour la génération à distance de modèles d'intensité tridimensionnels multifoyers complexes avec des phases relatives ajustées entre les foyers individuels. En étendant le principe bien connu de Huygens, nous démontrons, dans des simulations et des expériences, que notre approche basée sur les interférences permet de contrôler à la fois l'intensité et la phase de points focaux individuels dans un ensemble de spots répartis dans les trois directions spatiales. Les hologrammes ont été réalisés à l'aide de la nano-impression 3D sur des substrats plans et des fibres optiques, montrant un excellent accord entre la conception et les structures mises en œuvre. En plus des substrats planaires, des hologrammes ont également été générés sur des fibres monomodes modifiées, créant des distributions d'intensité composées d'environ 200 foyers individuels répartis sur plusieurs plans d'image. Le projet présenté ouvre une voie innovante pour l'holographie numérique 3D à contrôle de phase sur des distances distantes, offrant ainsi une énorme application potentielle dans des domaines tels que la technologie quantique, les sciences de la vie, la bioanalyse et les télécommunications. Dans l’ensemble, tous les domaines nécessitant une excitation précise de résonances optiques d’ordre supérieur, notamment la nanophotonique, la fibre optique et la technologie des guides d’ondes, bénéficieront de ce concept.

La création souhaitée de modèles de champ arbitraires avec une distribution spatiale complexe est requise dans de nombreux domaines scientifiques et applications, notamment le champ noir1,2, la feuille de lumière3,4 et la microscopie à éclairage structuré (SIM)5,6, la récupération de position 3D à l'échelle nanométrique7, excitation de modes de fibre d'ordre supérieur8,9 et couplage à des fibres multicœurs dans les télécommunications10. Certaines de ces applications nécessitent la génération de plusieurs foyers individuels dans un ou plusieurs plans focaux, ce qui est également pertinent dans des applications telles que la nano-impression 3D parallélisée11, le piégeage et le suivi optiques simultanés à plusieurs emplacements12 et la collecte parallèle de lumière d'émetteurs diffusants en optofluidique13. ,14. En outre, la génération contrôlable et reproductible de tels modèles de lumière à distance constitue un autre défi clé susceptible d’ouvrir de nouveaux domaines d’application.

En plus des concepts qui reposent sur des structures résonantes telles que les métasurfaces diélectriques15 ou la plasmonique16, une approche largement utilisée pour créer des modèles de lumière monofocales et multifocales repose sur des masques de phase personnalisés dans le plan d'ouverture utilisant des interférences pour créer le modèle focal souhaité dans l'image. avion17,18. Ici, des approches telles que les masques d'amplitude ou de phase sont largement utilisées18, les hologrammes de phase montrant une efficacité nettement meilleure que les masques d'amplitude18. Un point important est la stratégie de mise en œuvre concrète, qui a un impact direct sur les performances de l'appareil concerné : par exemple, les références 18, 19 comparent différents types de plaques de phase. Le masque de phase à 2 niveaux, qui d'un point de vue technologique utilise le type de stratégie de fabrication le plus simple, présente des efficacités limitées d'environ 40 %. Les masques de phase à plusieurs niveaux, y compris les profils kinoformes continus, peuvent atteindre des efficacités bien supérieures.

Dans un scénario typique, seule la distribution d'intensité souhaitée est connue sans aucune connaissance de la phase associée, ce qui empêche l'ingénierie directe du masque de phase. Pour résoudre ce problème intrinsèque, des méthodes de calcul itératives numériques telles que les algorithmes itératifs de transformée de Fourier IFTA20,21,22,23 (par exemple, l'algorithme de Gerchberg-Saxton17,24) sont couramment utilisées. Ces méthodes nécessitent beaucoup de calculs et nécessitent des conditions d'entrée bien choisies, car la distribution de phase calculée dépend fortement de l'entrée, ne produisant ainsi une solution raisonnable que pour des entrées correctement choisies. De plus, il n’existe généralement pas de solutions uniques et la probabilité de stagnation de l’algorithme à l’approche des minima locaux n’est pas négligeable. Il convient de noter que dans la plupart des cas, les approches itératives ne sont pas en mesure d'optimiser les hologrammes par rapport à la distribution de phase souhaitée, ce qui pose problème dans les situations où l'intensité et la phase ou la polarisation doivent être contrôlées, comme dans le cas d'une excitation d'ordre supérieur. modes fibre.