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May 30, 2023

ファイバ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20920 (2022) この記事を引用 1403 アクセス数 1 引用数 2 Altmetric Metrics の詳細 空間制御されたライト フィールドの生成

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20920 (2022) この記事を引用

1403 アクセス

1 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

空間的に制御された強度と位相分布を備えた調整されたライトフィールドの生成は、科学や応用の多くの分野で不可欠ですが、そのようなパターンをリモートで作成することが最近重要な課題となっています。 ここでは、個々の焦点間の相対位相が調整された複雑な複数焦点の 3 次元強度パターンを遠隔生成するためのファイバー互換の概念を紹介します。 よく知られているホイヘンスの原理を拡張することにより、干渉ベースのアプローチにより、3 つの空間方向すべてに分布するスポットのアレイ内の個々の焦点の強度と位相の両方を制御できることをシミュレーションと実験で実証しました。 ホログラムは、平面基板と光ファイバー上に 3D ナノプリンティングを使用して実装され、設計と実装された構造が見事に一致していることがわかりました。 平面基板に加えて、修正シングルモード ファイバー上にもホログラムが生成され、複数の画像面に分散された約 200 の個別の焦点からなる強度分布が作成されました。 提示されたスキームは、遠隔距離での位相制御された 3D デジタル ホログラフィーのための革新的な経路をもたらし、量子技術、生命科学、生物分析、電気通信などの分野で巨大な応用の可能性をもたらします。 全体として、ナノフォトニクス、光ファイバー、導波路技術など、高次の光共鳴の正確な励起を必要とするすべての分野がこのコンセプトの恩恵を受けるでしょう。

複雑な空間分布を持つ任意のフィールド パターンの望ましい作成は、暗視野 1、2、ライトシート 3、4、構造化照明顕微鏡 (SIM) 5、6、3D ナノスケール位置検索 7 など、科学や応用の多くの分野で必要とされています。高次ファイバーモードの励起8、9、および通信内のマルチコアファイバーへの結合10。 これらのアプリケーションの一部は、1 つまたは複数の焦点面内で複数の個別の焦点を生成する必要があり、さらに、並列 3D ナノプリンティング 11、複数の位置での同時光トラッピングおよび追跡 12、光流体工学における拡散エミッターの光の並列収集などのアプリケーションにも関連します 13 、14． さらに、そのような光のパターンを遠隔で制御可能かつ再現可能に生成することは、さらなる応用分野を開く可能性を秘めたもう1つの重要な課題です。

誘電体メタ表面 15 やプラズモニクス 16 などの共振構造に依存する概念に加えて、単一焦点および多焦点の光パターンを作成するために広く使用されているアプローチは、干渉を使用して画像内に目的の焦点パターンを作成する開口面内の調整された位相マスクに依存しています。飛行機17、18。 ここでは、振幅マスクまたは位相マスクなどのアプローチが広く採用されており 18、位相ホログラムは振幅マスクよりも大幅に優れた効率を示しています 18。 重要な点は、それぞれのデバイスの性能に直接影響を与える具体的な実装戦略です。たとえば、参考文献 18、19 では、さまざまな種類の位相板を比較しています。 2 レベル位相マスクは、技術的な観点から最も単純なタイプの製造戦略を採用していますが、効率は約 40% と限られています。 連続キノフォームプロファイルを含むマルチレベル位相マスクは、はるかに高い効率を達成できます。

典型的なシナリオでは、関連する位相についてはまったく知識がなく、必要な強度分布のみがわかっているため、位相マスクを直接操作することができません。 この本質的な問題に対処するために、反復フーリエ変換アルゴリズム IFTA20、21、22、23 (例: Gerchberg-Saxton アルゴリズム 17、24) などの数値反復計算手法が一般的に使用されます。 これらの方法は計算量が多く、計算された位相分布が入力に大きく依存するため、適切に選択された入力条件が必要となるため、適切に選択された入力に対してのみ合理的な解決策が得られます。 さらに、通常、一意の解は存在せず、極小値に近づくとアルゴリズムが停滞する確率は無視できません。 ほとんどの場合、反復アプローチでは、望ましい位相分布に関してホログラムを最適化できないことに注意してください。これは、高次の励起内など、強度と位相または偏光の両方を制御する必要がある状況では問題になります。ファイバーモード。