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May 30, 2023

섬유

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20920 (2022) 이 기사 인용 1403 액세스 1 인용 2 Altmetric Metrics 세부 정보 공간적으로 제어되는 맞춤형 조명 필드 생성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20920(2022) 이 기사 인용

1403 액세스

1 인용

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

공간적으로 제어되는 강도 및 위상 분포를 갖춘 맞춤형 조명 필드의 생성은 과학 및 응용의 많은 분야에서 필수적이며, 이러한 패턴을 원격으로 생성하는 것은 최근 주요 과제로 정의되었습니다. 여기에서는 개별 초점 사이의 상대 위상이 조정된 복잡한 다중 초점 3차원 강도 패턴의 원격 생성을 위한 광섬유 호환 개념을 제시합니다. 잘 알려진 호이겐스 원리를 확장함으로써 시뮬레이션과 실험을 통해 간섭 기반 접근 방식을 통해 세 공간 방향 모두에 분산된 지점 배열에서 개별 초점의 강도와 위상을 모두 제어할 수 있음을 보여줍니다. 홀로그램은 평면 기판과 광섬유에 3D 나노 프린팅을 사용하여 구현되었으며, 설계와 구현된 구조 간의 탁월한 일치를 보여줍니다. 평면 기판 외에도 변형된 단일 모드 광섬유에서도 홀로그램이 생성되어 여러 이미지 평면에 분산된 약 200개의 개별 초점으로 구성된 강도 분포를 생성했습니다. 제시된 체계는 원격 거리에 걸쳐 위상 제어 3D 디지털 홀로그래피를 위한 혁신적인 경로를 제공하여 양자 기술, 생명 과학, 생물 분석 및 통신과 같은 분야에서 엄청난 잠재적 응용을 제공합니다. 전반적으로 나노포토닉스, 광섬유 및 도파관 기술을 포함하여 고차 광학 공명의 정확한 여기가 필요한 모든 분야는 이 개념의 이점을 누릴 것입니다.

암시야1,2, 광 시트3,4 및 구조화 조명 현미경(SIM)5,6, 3D 나노 규모 위치 검색7을 비롯한 다양한 과학 및 응용 분야에서 복잡한 공간 분포를 갖춘 임의 필드 패턴을 원하는 대로 생성해야 합니다. 고차 광섬유 모드의 여기8,9 및 통신 내 다중 코어 광섬유에 대한 결합. 이러한 응용 프로그램 중 일부는 하나 이상의 초점면 내에서 여러 개별 초점을 생성해야 하며, 추가적으로 병렬화된 3D 나노 프린팅11, 여러 위치에서 동시 광학 트래핑 및 추적12, 광유체학13에서 확산 방출기의 빛의 병렬 수집과 같은 응용 프로그램과 관련이 있습니다. ,14. 또한 원격 방식으로 이러한 조명 패턴을 제어 및 재현 가능하게 생성하는 것은 더 많은 응용 분야를 열 수 있는 잠재력을 가진 또 다른 핵심 과제입니다.

유전체 메타표면15 또는 플라즈몬16과 같은 공진 구조에 의존하는 개념 외에도 단일 및 다중 초점 조명 패턴을 생성하기 위해 널리 사용되는 접근 방식은 간섭을 사용하여 조리개 평면의 맞춤형 위상 마스크를 사용하여 이미지에서 원하는 초점 패턴을 생성합니다. 비행기17,18. 여기서는 진폭 또는 위상 마스크와 같은 접근 방식이 널리 사용되며 위상 홀로그램은 진폭 마스크보다 훨씬 더 나은 효율성을 보여줍니다. 중요한 점은 각 장치의 성능에 직접적인 영향을 미치는 구체적인 구현 전략입니다. 예를 들어 Refs.18,19는 다양한 유형의 위상판을 비교합니다. 기술적인 관점에서 볼 때 가장 간단한 형태의 제조 전략을 사용하는 2레벨 위상 마스크는 약 40%의 제한된 효율성을 보여줍니다. 연속적인 키노폼 프로파일을 포함한 다단계 위상 마스크는 훨씬 더 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.

일반적인 시나리오에서는 관련 위상에 대한 지식 없이 원하는 강도 분포만 알려져 있으므로 위상 마스크를 직접 엔지니어링할 수 없습니다. 이러한 본질적인 문제를 해결하기 위해 반복 푸리에 변환 알고리즘 IFTA20,21,22,23(예: Gerchberg-Saxton 알고리즘17,24)과 같은 수치 반복 계산 방법이 일반적으로 사용됩니다. 이러한 방법은 계산 집약적이며 잘 선택된 입력 조건이 필요합니다. 계산된 위상 분포는 입력에 크게 의존하므로 적절하게 선택된 입력에 대해서만 합리적인 솔루션을 생성하기 때문입니다. 또한 일반적으로 고유한 솔루션이 없으며 로컬 최소값에 접근할 때 알고리즘이 정체될 확률은 무시할 수 없습니다. 대부분의 경우 반복적 접근 방식은 원하는 위상 분포와 관련하여 홀로그램을 최적화할 수 없다는 점에 유의해야 합니다. 이는 고차 여기 내에서와 같이 강도와 위상 또는 편광을 모두 제어해야 하는 상황에서 문제가 됩니다. 섬유 모드.