Axicon espiral difrativo de cristal líquido variável plano que permite a geração perfeita de feixes de vórtice

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2385 (2023) Citar este artigo

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Um axicon espiral difrativo variável transparente (DSA) baseado em uma única célula LC é apresentado. O DSA fabricado pode ser alternado entre 24 configurações diferentes, 12 convergentes e 12 divergentes, onde o ângulo de saída é variado em função da carga topológica aplicada. A área ativa do dispositivo é criada usando uma técnica de gravação direta a laser em substratos de vidro revestidos com óxido de índio-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, é apresentada a fabricação e caracterização do DSA sintonizável 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. Várias técnicas para obter a mudança de foco são propostas na literatura1,2,3,4 e têm uma ampla gama de aplicações, incluindo displays5, comunicações6, telescópios7, óculos8 ou microscopia9. Em todas essas aplicações, é desejável reduzir o tamanho e o peso, diminuindo a complexidade das lentes tradicionais com partes móveis10. A ampla gama de aplicações de elementos adaptativos criou um interesse crescente em projetar e fabricar lentes ajustáveis.

Uma maneira de ajustar uma lente sem alterar sua curvatura é usando um cristal líquido nemático (LC). Quando a frente de onda de entrada passa pelo dispositivo LC, sua fase é deslocada 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 somente 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. Foi apresentada uma infinidade de diferentes lentes LC, como eletrodos de orifício e anel13, lentes difrativas de Fresnel14 e dispositivos complexos de múltiplos eletrodos15. 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. Axicons foram descritos pela primeira vez na literatura16 como um elemento capaz de gerar imagens de uma fonte pontual em uma gama 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 prender partículas dentro de sua imagem17,18. 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 axícones reflexivos sintonizáveis ​​que são capazes de alterar o comprimento do DOF23,24 para obter os mesmos resultados. Alternativamente, o DOF pode ser ajustado adicionando uma lente convexa extra 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.

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

Neste trabalho, é apresentado o primeiro axicon espiral difrativo (DSA) transparente desenvolvido especificamente para LC, capaz de emular o comportamento de um axicon difrativo variável, empregando apenas 24 eletrodos com controle de perfil de fase total. O feixe de luz de saída DSA apresentado carregará um momento angular orbital (OAM) caracterizado por uma frente de onda espiral. O eixo central do feixe, após a luz passar pelo aparelho, conterá todas as fases que vão 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 vórtices.