Axicon spiralé diffractif à cristaux liquides variable et plat permettant une génération parfaite de faisceaux vortex

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2385 (2023) Citer cet article

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Un axicon spiralé diffractif variable (DSA) transparent basé sur une seule cellule LC est présenté. Le DSA fabriqué peut être commuté entre 24 configurations différentes, 12 convergentes et 12 divergentes, où l'angle de sortie varie en fonction de la charge topologique appliquée. La zone active du dispositif est créée à l'aide d'une technique d'écriture laser directe sur des substrats en verre recouverts d'oxyde d'indium et d'étain. Les cristaux liquides sont utilisés pour moduler la phase du faisceau entrant générant les différentes configurations DSA. Le DSA se compose de 24 électrodes transparentes en forme de spirale, chacune introduisant un retard de phase spécifique. Dans cet article, la fabrication et la caractérisation du DSA accordable sont présentées et les performances du DSA sont démontrées expérimentalement et comparées aux simulations correspondantes.

Les lentilles accordables sans pièces mobiles sont capables de régler la distance focale en modulant spatialement le trajet lumineux. Plusieurs techniques pour obtenir un changement de focalisation sont proposées dans la littérature1,2,3,4 et celles-ci ont un large éventail d'applications, notamment les écrans5, les communications6, les télescopes7, les lunettes8 ou la microscopie9. Dans toutes ces applications, il est souhaitable de réduire la taille et le poids tout en diminuant la complexité des lentilles traditionnelles à pièces mobiles10. Le large éventail d'applications des éléments adaptatifs a suscité un intérêt croissant pour la conception et la fabrication de lentilles accordables.

Une façon de régler une lentille sans modifier sa courbure consiste à utiliser un cristal liquide nématique (LC). Lorsque le front d'onde entrant traverse le dispositif LC, sa phase est décalée en fonction de l'orientation des molécules LC suite à l'application d'un champ électrique externe. Ces dispositifs LC sont utilisés pour fabriquer des dispositifs à phase plate uniquement n'affectant pas les autres caractéristiques du faisceau11. Selon la répartition de ce champ électrique le long du matériau anisotrope, la lentille peut être convergente (positive) ou divergente (négative)12. Une pléthore de lentilles LC différentes, telles que des électrodes à trous et en anneau13, des lentilles de Fresnel diffractives14 et des dispositifs multi-électrodes complexes15, ont été présentées. Ils se caractérisent tous par un diamètre limité, une plage de réglage de la focalisation et/ou une complexité de fabrication.

Un axicon est une lentille conique qui génère un motif annulaire à partir d’un faisceau de lumière collimaté entrant. Les axicons ont été décrits pour la première fois dans la littérature16 comme un élément capable d'imager une source ponctuelle dans une plage de points sur un segment de ligne le long de l'axe optique. La longueur de ce segment est appelée profondeur de mise au point (DOF).

L'axicon a été largement étudié en raison de son nombre d'applications. Comme un axicon peut générer des anneaux annulaires, il peut être utilisé pour piéger des particules à l'intérieur de son image17,18. D’autres applications peuvent être trouvées comme la gonioscopie19, le micro-forage20 ou la tomographie21.

Alors que les systèmes traditionnels contrôlent la profondeur de champ par l'apodisation de la pupille22, d'autres utilisent des axicons réflexifs accordables capables de modifier la longueur du DOF23,24 pour obtenir les mêmes résultats. Alternativement, le DOF peut être rendu réglable en ajoutant une lentille convexe supplémentaire avant un axicon. Changer manuellement la distance entre la source lumineuse et la lentille convexe, ou la distance entre l'axicon et la lentille, introduit une modification de l'angle d'entrée de l'axicon, entraînant une variation de l'angle de sortie, c'est-à-dire une variation du DOF25.

Des axicons diffractifs basés sur des cristaux liquides ont été récemment présentés26,27,28, la plupart sont basés sur des modulateurs spatiaux de lumière réfléchissants (SLM)27,28, tandis que d'autres sont fondés sur des électrodes spécialement conçues, mais avec une liberté de réglage limitée pour adapter un profil de phase parfait26. .

Dans ce travail, le premier axicon spiral diffractif (DSA) transparent LC spécifiquement développé est présenté, capable d'émuler le comportement d'un axicon diffractif variable, en utilisant uniquement 24 électrodes avec contrôle complet du profil de phase. Le faisceau lumineux de sortie DSA présenté portera un moment cinétique orbital (OAM) caractérisé par un front d'onde en spirale. L'axe central du faisceau, après que la lumière traverse l'appareil, contiendra toutes les phases allant de 0 à 2π. Ainsi, un point singulier, où se produit une interférence destructrice, se formera dans tous les plans transversaux29. Le dispositif développé agit donc intrinsèquement comme un générateur de faisceaux avortex.