Assicone a spirale diffrattivo piatto e variabile a cristalli liquidi che consente la perfetta generazione di raggi vorticosi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2385 (2023) Citare questo articolo

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Viene presentato un axicon a spirale diffrattivo variabile trasparente (DSA) basato su una singola cella LC. Il DSA prodotto può essere commutato tra 24 diverse configurazioni, 12 convergenti e 12 divergenti, dove l'angolo di uscita viene variato in funzione della carica topologica applicata. L'area attiva del dispositivo viene creata utilizzando una tecnica di scrittura laser diretta su substrati di vetro rivestiti con ossido di indio-stagno. Il cristallo liquido viene utilizzato per modulare la fase del fascio in ingresso generando le diverse configurazioni DSA. Il DSA è costituito da 24 elettrodi trasparenti a forma di spirale guidati individualmente, ciascuno dei quali introduce uno specifico ritardo di fase. In questo articolo vengono presentate la produzione e la caratterizzazione del DSA sintonizzabile e le prestazioni del DSA vengono dimostrate sperimentalmente e confrontate con le simulazioni corrispondenti.

Le lenti regolabili senza parti in movimento sono in grado di regolare la distanza focale modulando spazialmente il percorso della luce. In letteratura1,2,3,4 sono proposte diverse tecniche per ottenere il cambiamento della messa a fuoco e queste hanno una vasta gamma di applicazioni tra cui display5, comunicazioni6, telescopi7, occhiali8 o microscopia9. In tutte queste applicazioni è auspicabile ridurre dimensioni e peso diminuendo al tempo stesso la complessità delle lenti tradizionali con parti mobili10. L'ampia gamma di applicazioni degli elementi adattativi ha creato un crescente interesse nella progettazione e produzione di lenti accordabili.

Un modo per regolare una lente senza modificarne la curvatura è utilizzare un cristallo liquido nematico (LC). Quando il fronte d'onda in ingresso passa attraverso il dispositivo LC, la sua fase viene spostata in base all'orientamento delle molecole LC come risultato dell'applicazione di un campo elettrico esterno. Questi dispositivi LC vengono utilizzati per produrre dispositivi a sola fase piatta che non influenzano altre caratteristiche del fascio11. A seconda della distribuzione di questo campo elettrico lungo il materiale anisotropo, la lente può essere convergente (positiva) o divergente (negativa)12. Sono state presentate numerose lenti LC diverse, come elettrodi a foro e anello13, lenti diffrattive di Fresnel14 e complessi dispositivi multielettrodi15. Sono tutti caratterizzati da dimensioni di diametro limitate, gamma di messa a punto focalizzata e/o complessità di produzione.

Un axicon è una lente conica che genera un disegno anulare da un raggio di luce collimato in arrivo. Gli assiconi sono stati descritti per la prima volta in letteratura16 come un elemento in grado di rappresentare una sorgente puntiforme in un intervallo di punti su un segmento di linea lungo l'asse ottico. La lunghezza di questo segmento è nota come profondità di messa a fuoco (DOF).

L'axicon è stato ampiamente studiato per il suo numero di applicazioni. Poiché un axicon può generare anelli anulari, può essere utilizzato per intrappolare particelle all'interno della sua immagine17,18. Si possono trovare altre applicazioni come la gonioscopia19, la microforatura20 o la tomografia21.

Mentre i sistemi tradizionali controllano la profondità di campo mediante l'apodizzazione della pupilla22, altri utilizzano assiconi riflessivi sintonizzabili che sono in grado di modificare la lunghezza del DOF23,24 per ottenere gli stessi risultati. In alternativa, il DOF può essere reso sintonizzabile aggiungendo una lente convessa extra prima di un axicon. Modificando manualmente la distanza tra la sorgente luminosa e la lente convessa, o la distanza tra l'axicon e la lente, si introduce una modifica nell'angolo di ingresso dell'axicon, con conseguente variazione dell'angolo di uscita, ovvero una variazione del DOF25.

Recentemente sono stati presentati assiconi diffrattivi basati su cristalli liquidi26,27,28, la maggior parte sono basati su modulatori di luce spaziale riflettenti (SLM)27,28, mentre altri si fondano su elettrodi appositamente progettati, ma con libertà di regolazione limitata per adattare un profilo di fase perfetto26 .

In questo lavoro viene presentato il primo assicone a spirale diffrattiva (DSA) LC trasparente appositamente sviluppato, in grado di emulare il comportamento di un assicone diffrattivo variabile, impiegando solo 24 elettrodi con controllo completo del profilo di fase. Il fascio di luce in uscita dal DSA presentato trasporterà un momento angolare orbitale (OAM) caratterizzato da un fronte d'onda a spirale. L'asse centrale del fascio, dopo che la luce ha attraversato il dispositivo, conterrà tutte le fasi comprese tra 0 e 2π. Pertanto, in tutti i piani trasversali si formerà un punto singolare in cui si verifica un'interferenza distruttiva29. Pertanto, il dispositivo sviluppato agisce intrinsecamente come generatore di raggi avortici.