Optical properties and development of flat-surface nano-structured gradient index micro-optical vortex phase components

Rozprawa doktorska dotyczy nanostrukturyzowanych światłowodowych mikrokomponentów optycznych typu GRIN (nGRIN) - nanostrukturyzowanych masek wirowych. Gaussowska wiązka laserowa po przejściu przez taki element fazowy zamieniana jest na wiązkę wirową. Mikrokomponenty nGRIN są płaskie, a ta unikalna właściwość maski wirowej otwiera nowe możliwości zastosowań takich elementów fazowych w różnych dziedzinach fotoniki. Maski zaprojektowane z wykorzystaniem teoria ośrodka efektywnego oraz Metoda symulowanego wyżarzania. Maski zostały wykonane metoda mozaikowa, która pozwala na ekonomiczne wykonanie takich elementów w produkcji masowej. W przeciwieństwie do klasycznych spiralnych masek wirowych (SPP), zasada działania masek nVPM bazuje na gradiencie współczynnika załamania światła szkła z którego jest ona wykonana. Z tego powodu nie ma potrzeby wykonywania precyzyjnego reliefu na powierzchni szkła. Maska nVPM ma dzięki temu ważną zaletę, zmiana ośrodka w jakim zostanie ona zanurzona nie wpływu na jakość generowanego wiru optycznego. Raz zaprojektowana maska w powietrzu jak i np. w wodzie lub etanolu wygeneruje taką samą wiązkę wirową o dokładnie tej samej wartości ładunku topologicznego. Na bazie maski, w ramach niniejszej pracy zaprojektowano i wykonano światłowodową mikrosondę do generacji wirów optycznych. Sonda ta została w pełni wykonana w technice światłowodowej. Światłowodowe mikro sondy generujące wiązki wirowe mają wysoki potencjał aplikacyjny w półapkowaniu optycznym, optycznej manipulacji cząsteczkami a także w laserowej mikroobróbce powierzchni. Płaskość powierzchni masek to także duże ułatwienie w tworzeniu bardziej zaawansowanych systemów światłowodowych do generacji wirów optycznych, np. maska nVPM może być stosowana wewnątrz wnęki laserów włóknowych. W ramach niniejszej pracy dokonano analizy możliwości wykonania achromatycznej maski wirowej do generacji tzw. białych wirów optycznych. Maska fazowa umożliwiająca generację białych wirów optycznych jest bardzo pożądanym elementem optycznym gdyż dotychczas istnieją nieliczne metody generacji takich wirów. Maski do generacji białych wirów mogłyby znaleźć zastosowanie przy źródłach super-continuum i laserach generujących ultrakrótkie impulsy światła. Pierwsza część pracy poświęcona jest badaniom nad optymalizacją gradientu maski w celu poprawy jednorodności profilu wiązki wirowej. Badania te umotywowane są pewną niedoskonałością masek nVPM. W gradientowej masce wirowej jest zlokalizowany obszar w postaci linii o najwyższym współczynniku załamania światła i graniczy on bezpośrednio z analogicznym o najniższym współczynniku załamania światła, w związku z tym światło jest prowadzone w obszarze o wyższym współczynniku. Skutkuje to nierównomiernym rozkładem intensywności wiązki wirowej. W związku z tym, przedstawiono dwa kierunki poprawy jakości wiązek uzyskiwanych za pomocą masek do generacji wirów optycznych: wykonanie możliwie najcieńszych masek z zastosowaniem szkieł o dużej różnicy współczynnika załamania światła oraz stosując azymutalny nieliniowy profil zmiany współczynnika załamania światła w masce. W pracy przedstawiono wyniki przeprowadzonych symulacji komputerowych, które pokazują wpływ różnicy współczynników załamania światła szkieł maski oraz jej grubości na jednorodność intensywności wiązki wirowej oraz rozkład jej fazy. Do symulacji wykorzystano metodę propagacji wiązki (ang. Beam Propagation Method) z wykorzystaniem transformacji Fouriera. Na tej podstawie ustalono, że najlepiej jest wybrać szkła o jak największej różnicy współczynników załamania światła, która umożliwi realizację najcieńszej maski fazowej, co zminimalizuje efekt lokalnego prowadzenia światła. Ponadto na podstawie wyników symulacji, pokazano że jednorodność intensywności wiązki wirowej można poprawić stosując gradient współczynnika załamania światła w masce opisany funkcją potęgową. Wyniki symulacji pokazały także, że w przypadku masek nVPM możliwe jest uzyskanie wirowych wiązek optycznych o stonkowo wysokich ładunkach topologicznych. Druga część rozprawy skupia się na metodach eksperymentalnych przeprowadzonych w celu weryfikacji jakości generowanych wirów optycznych za pomocą masek nVPM. Zbadane próbki stanowią maski wykonane z jednego rodzaju włókna nastrukuryzowanego, ale maski nVPM przygotowano o różnych grubościach. Maski te zbadano w trzech różnych ośrodkach - powietrzu, wodzie oraz w etanolu. Eksperymenty przeprowadzono w celu zweryfikowanie głównej cechy wyróżniającej maski gradientowych na tle klasycznych płytek spiralnych. Do zbadania charakterystyki wiązek wirowych wykorzystano dwie metody eksperymentalne: transformację astygmatyczną oraz interferencją w konfiguracji Macha-Zehndera. Wynikom eksperymentów towarzyszą wyniki symulacji metodą BMP przeprowadzone dla warunków analogicznych tym w eksperymencie. W ten sposób przedstawiono faktyczne możliwości generacji wiązek wirowych za pomocą masek GRIN o wartości ładunku topologicznego jeden i dwa. Ostatecznie eksperymentalnie i teoretycznie, pokazano brak wpływu zmiany współczynnika załamania światła zewnętrznego ośrodka wokół maski na jakość generowanych wiązek. Następnie opisano konstrukcję i wykonanie innowacyjnej mikrosondy optycznej bazującej na masce fazowej nVPM umieszczonej na końcu światłowodu. Do konstrukcji mikrosondy wykorzystano klasyczny światłowód jednodomowy. Ponadto, niezbędne było zastosowanie dodatkowego element miedzy końcem światłowodu a maską – mikro pręta szklanego, który ma na celu rozszerzyć wiązkę, tak aby całkowicie wypełnić wiązką aperturę maski. Także na przykładzie sondy pokazano, że po jej zanurzeniu w jednorodnej przejrzystej cieczy nie zmienia się jakość generowanej wiązki wirowej. Obecnie istniejące tego typu mikrosondy światłowodowe bazują na reliefie SPP i nie posiadają takiej ciekawej własności. Wykonana sonda potwierdza kompatybilność masek gradientowych z technologią światłowodową i stanowi dużą wartość aplikacyjną. Poza wcześniej wymienionymi aplikacjami warto dodać że rozwiązanie światłowodowe zwiększa potencjał aplikacyjny masek wirowych w telekomunikacji optycznej. Ponadto, mikrosonda jest wykonana wyłącznie z elementów szklanych czyniąc ją odporną na duże moce promieniowania laserowego i z tego powodu może ona znaleźć zastosowanie w mikroobróbce laserowej. Ostatnia część pracy dotyczy własności achromatycznych masek nVPM. Jest to niezbędna cecha potrzebna do stworzenia maski do generacji białego wiru optycznego. Własności achromatyczne można poprawić dzięki precyzyjnemu doborowi pary szkieł w procesie tworzenia maski. Pomysł ten jest konsekwencją tego, że nasz zespół posiada doświadczenie w tworzeniu achromatycznych mikrosoczewek GRIN. Poza wymogiem co do krzywych dyspersji współczynnika załamania szkieł, muszą one spełnić inne pozostałe wymogi technologiczne. W ramach pracy wykonano i zweryfikowano projekt achromatycznej maski nVPM.

The dissertation discusses new prospects for tailoring the properties of optical beams. Specifically, its intensity profile and the phase structure can be modified using developed, flat- surface nanostructured gradient index (nGRIN) micro-components. Both surfaces of the nGRIN micro-components are flat and this unique property enabled novel functionalities of such a phase element. The thesis mainly focuses on nanostructured Vortex Phase Masks (nVPM), which are designed with the use of effective medium theory and simulated annealing approximation method. Cost-effective modified stack-and-draw nanostructurization was used in the fabrication process. In contrast to Spiral Phase Plates, nVPMs rely only on the internal refractive index gradient, and thereby there is no need for spiral relief on its surfaces. This makes its optical performance not affected by different surrounding media. The mask can be immersed in air, water, ethanol or any other transparent liquids and resulting vortex beam will have the same value of the topological charge. In addition, the dissertation aims at novel fiber-based devices such as fiber-vortex microprobe converters. Furthermore, the design of its improved achromatic version for generation of white-vortex beams was proposed. The vortex fiber probe has high application potential in optical trapping and particle manipulation as well as in laser micromachining. The flat-surface nVPM element can be used as a component of an all-fiber laser vortex beam generator, which can be integrated with an fiber laser resonator. The fiber vortex generator is a compact and reliable device compatible with the fiber technology. The first part of the dissertation is devoted to the theoretical study on nGRIN VPMs in order to improve the optical quality of the generated optical vortex beam. There is a need for optimization because GRIN VPMs suffer from the light wave-guiding effect leading to the azimuthally non-uniform light intensity distribution in the resulted vortex beam. The effect is a consequence of the azimuthal refractive index profile of the mask. In the profile, there is one area along the radius of abrupt refractive index change, and light tends to concentrate in the highest refractive index area of the mask. The influence of the refractive index contrast of component glasses, effective refractive profile distribution of the masks on the intensity distribution, and phase structures of the generated vortices are studied. Numerical simulations employing Fourier Transform-based Beam Propagation Method were used to validate potential methods of improving the intensity profile of the vortex beam. Eventually, we proved that the best approach so far in this matter is using two types of glass with a large refractive index difference which allows the fabricated mask to be very thin. Lesser thickness minimizes the effect of light waveguiding in the nVPM mask. Research done in scope of the thesis showed that the further improvement can be obtained by making azimuthal gradient of refractive index of the GRIN mask described by power functions. Furthermore, it is possible to utilize the nanostructured phase mask to generate the vortex beam with relatively high topological charges. The second part of the dissertation focuses on optical experiments performed to evaluate the quality of the generated vortex beams by means of developed nGRIN VPMs. The sample-set consists of our in-house developed nVPMs with different mask thicknesses. The optical performance of one of the selected nVPMs was evaluated in different transparent media air, water, and ethanol to show nVPM’s advantage over SPP. We used two experimental techniques to measure topological phase characteristics of the generated vortex beam: the astigmatic transformation and Mach-Zehnder interferometry. Through comprehensive theoretical analysis and experiments, we proved the robustness of the nVPMs in optical vortex generation vortex beams up to topological charge two. The main advantage of this kind of the phase element (optical performance preservation in any transparent external media) is explained with appropriate theory. The next part of the dissertation describes the development and characterization of a novel fiber-based microprobe consisting of a 28-μm thick nGRIN VPM integrated at the end of an optical fiber. Specifically, regular single-mode optical fiber operating at the wavelength of 633 nm was used. The additional coreless fiber was designed and assembled with the probe to expand the beam on the mask’s surface. Experimental and theoretical studies proved that the probe efficiently converts fiber-guided fundamental mode into the optical vortex beam with a single topological charge. It is worth mentioning, the optical performance of the complete vortex-fiber probe was not affected by immersion in air, water, or any uniform, transparent media. This is not possible for other already reported fiber-based systems, which use conventional SPP relief. The research results also confirm the compatibility of the proposed nanostructurization method with fiber technology, which gives high application potential. In particular, the probe could substantially simplify and improve the reliability of optical set-ups used for optical trapping or particle manipulation. Moreover, fiber-based vortex probe could be beneficial in future vortex beam applications in optical telecommunication. Due to the high laser damage threshold of the mask’s materials, the probe’s all-glass structure makes it a perfect candidate for vortex beam converter for laser micromachining applications. Finally, another essential improvement of nGRIN VPMs is presented. The nVPM was redesigned in order to gain achromatic properties. The improved mask aims at white-vortex beams, which is a very vibrant subject in the field of singular optics. It enables generation of optical vortices at multiple wavelengths, all having the exact topological charges. This is achieved by carefully selecting the glass pair to fabricate the mask, those having proper refractive index dispersion curves. It was motivated by the experience of our research team in developing nGRIN microlenses with minimized axial chromatic aberrations. Besides proper refractive index difference profile of glass materials, it has to meet other nVPM fabrication constraints. Furthermore, the designed and optimized white vortex binary mask structure has been prepared for the fiber drawing process.