Axicon espiral difrativo de cristal líquido variável plano, permitindo a geração perfeita de feixes de vórtice

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2385 (2023) Citar este artigo

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É apresentado um axicon espiral difrativo variável transparente (DSA) baseado em uma única célula LC. O DSA fabricado pode ser alternado entre 24 configurações diferentes, 12 convergentes e 12 divergentes, onde o ângulo de saída varia em função da carga topológica aplicada. A área ativa do dispositivo é criada usando uma técnica de escrita direta a laser em substratos de vidro revestidos com óxido de índio e estanho. O cristal líquido é usado para modular a fase do feixe de entrada gerando as diferentes configurações de DSA. O DSA consiste em 24 eletrodos transparentes em forma de espiral acionados individualmente, cada um introduzindo um retardo de fase específico. Neste artigo, a fabricação e caracterização do DSA sintonizável é apresentada e o desempenho do DSA é demonstrado experimentalmente e comparado com as simulações correspondentes.

Lentes ajustáveis ​​sem partes móveis são capazes de ajustar a distância focal modulando espacialmente o caminho da luz. Diversas técnicas para obter mudança de foco são propostas na literatura1,2,3,4 e possuem uma ampla gama de aplicações incluindo displays5, comunicações6, telescópios7, óculos8 ou microscopia9. Em todas estas aplicações é desejável reduzir tamanho e peso, diminuindo ao mesmo tempo a complexidade das lentes tradicionais com partes móveis10. A ampla gama de aplicações de elementos adaptativos criou um interesse crescente no projeto e fabricação de lentes sintonizáveis.

Uma maneira de ajustar uma lente sem alterar sua curvatura é usar um cristal líquido nemático (LC). Quando a frente de onda que chega passa pelo dispositivo LC, sua fase muda de acordo com a orientação das moléculas LC como resultado da aplicação de um campo elétrico externo. Esses dispositivos LC são usados ​​para fabricar dispositivos apenas de fase plana que não afetam outras características do feixe11. Dependendo da distribuição desse campo elétrico ao longo do material anisotrópico, a lente pode ser convergente (positiva) ou divergente (negativa)12. Uma infinidade de diferentes lentes LC, como eletrodos de furo e anel13, lentes difrativas de Fresnel14 e dispositivos complexos de múltiplos eletrodos15 foram apresentadas. Todos eles são caracterizados por tamanho de diâmetro limitado, faixa de ajuste de foco e/ou complexidade de fabricação.

Um axicon é uma lente cônica que gera um padrão anular a partir de um feixe de luz colimado que chega. Os axônios foram descritos pela primeira vez na literatura como um elemento capaz de gerar imagens de uma fonte pontual em uma série de pontos em um segmento de linha ao longo do eixo óptico. O comprimento deste segmento é conhecido como profundidade de foco (DOF).

O axicon tem sido amplamente estudado devido ao seu número de aplicações. Como um axicon pode gerar anéis anulares, ele pode ser usado para capturar partículas dentro de sua imagem . Outras aplicações podem ser encontradas como gonioscopia19, microperfuração20 ou tomografia21.

Enquanto os sistemas tradicionais controlam a profundidade de campo pela apodização da pupila22, outros empregam axônios reflexivos sintonizáveis ​​que são capazes de alterar o comprimento do DOF23,24 para obter os mesmos resultados. Alternativamente, o DOF pode ser sintonizado adicionando uma lente extra convexa antes de um axicon. Alterar manualmente a distância entre a fonte de luz e a lente convexa, ou a distância entre o axicon e a lente, introduz uma mudança no ângulo de entrada do axicon, resultando em uma variação do ângulo de saída, ou seja, uma variação do DOF25.

Axônios difrativos baseados em cristais líquidos foram apresentados recentemente26,27,28, a maioria é baseada em moduladores de luz espacial reflexivos (SLMs)27,28, enquanto outros são baseados em eletrodos especificamente projetados, mas com liberdade de sintonia limitada para adaptar um perfil de fase perfeito26 .

Neste trabalho é apresentado o primeiro axicon difrativo espiral (DSA) transparente LC especificamente desenvolvido, capaz de emular o comportamento de um axicon difrativo variável, empregando apenas 24 eletrodos com controle de perfil de fase completo. O feixe de luz de saída DSA apresentado carregará um momento angular orbital (OAM) caracterizado por uma frente de onda em espiral. O eixo central do feixe, após a luz passar pelo dispositivo, conterá todas as fases variando de 0 a 2π. Assim, um ponto singular, onde ocorre uma interferência destrutiva, será formado em todos os planos transversais29. Portanto, o dispositivo desenvolvido atua intrinsecamente como gerador de feixe de vórtice.