超透镜+光纤–在光纤端面制作超结构来实现对光斑的任意调控，应用光通信，光医疗，光传感，光纤激光器

记得小编在分享前面一篇文章时（光纤探针–用于光学相干层析成像的超透镜光纤探针）提到过的几种在光纤加超结构的方式

A.在光纤端面直接刻

B.在光纤端面用胶水粘上一个平面超透镜

而本文作者采用的是直接在光纤端面做超结构，这样可以实现更好的效果，同时前文提到的是用于相干层析成像，属于成像领域，而本文属于非成像领域，对光斑的任意整形。

同时值得指出的是，本文作者做超结构使用的设备为欧洲企业的

Nanoscribe GmbH的Photonic Professional GT设备（3d纳米激光打印技术）。前文我们知道Phix的光纤阵列（透镜光纤阵列–通过3D打印技术得到的透镜光纤阵列）也是用Nanoscribe的设备制造。

小编也很有幸，曾经见到有人已经实战在光纤端面做超结构，并

且得到了客户满意的效果。

如果你也爱好 半导体，光学，光纤，硅光集成等技术及应用，可以添加小编，一起畅聊技术，市场和应用。

 

抽象

结构光已被证明可用于许多光子应用。然而，目前结构光在光纤科学和技术中的应用受到模式混合或缺乏可集成到光纤端面上用于波前工程的光学元件的严重限制，因此结构光的产生仍然通过自由空间中的笨重光学器件在光纤外部处理。我们报道了一种超纤维平台，能够在杂阶庞加莱球面上产生任意结构的光。聚合物超表面具有释放的高度自由度和大大扩展的 3D 超原子库，采用 3D 激光纳米打印并与保偏单模光纤连接。在光纤端面上连接了多个超表面，将光纤输出转换为不同的结构光场，包括圆柱矢量光束、圆偏振涡旋光束和任意矢量场。我们的工作为将光纤科学和技术推向光纤集成光整形提供了一个范式，这可能在光纤通信、光纤激光器和传感器、内窥镜成像、光纤光刻和光纤实验室技术中找到重要的应用。

介绍

最常见的结构光类型是在具有轨道角动量 （OAM） 的螺旋波前上携带空间不均匀偏振的奇异光束，可以概括为杂阶庞加莱球 （HOPS） 1 上的任意自旋-轨道耦合态。结构光场已被证明可用于亚衍射聚焦 2,3 、光学俘获、多模成像 7,8,9 和全息、自由空间和光纤通信 14,15 、非线性光转换 16 4,5,6 、 10,11,12,13 手性传感 17,18 和量子信息处理 19,20,21,22 。传统的结构光生成通常需要多个级联相位和波片，例如笨重的空间光调制器，这给任何实际用途和应用带来了重大挑战。由亚波长超原子（超表面的晶胞结构）组成的超表面最近改变了光子设计 23,24,25,26 ，开辟了使用超薄光子器件产生 27,28,29,30 、检测 31,32,33,34 和操纵结构光 29,35,36,37 的可能性。已经发展了散射光相移从0到2π的等离子体和介电超原子，以实现携带光 25,35,36 OAM的相异点。同时，各向异性超原子作为亚波长波片，在圆柱矢量光束 24 和完美庞加莱光束中印制偏振奇点 28 。

在光纤上实现结构光对于广泛的光纤应用至关重要，从光纤通信 15 、光纤激光器 38 、光纤传感器 39 到内窥镜成像 40 、光纤光刻 41 和光纤实验室技术 42,43 。然而，模态串扰和偏振混频或缺乏可集成到光纤端面上以进行复杂波前操作的光学元件严重阻碍了光纤结构光的实际应用。迄今为止，结构光的产生在大多数情况下仍然通过自由空间中笨重的光学器件在光纤外部处理，这可能会阻碍结构光在光纤科学和技术中的部署，并部分抵消光纤的柔性导光等优势。在这里，在光纤端面上实现元结构的有前途的方法已被用于演示贝塞尔光束转换器、光纤耦合器 44 45 、偏振控制器和波片 46 。尽管已经提出了电子束和离子束光刻 50,51 、纳米压印 52 42,47,48,49 和氢氟化学蚀刻技术 53 在光纤端面上实现超表面，但这些制造方法要么制造工艺复杂，要么难以连接任意 3D 纳米结构以实现高效的波前工程。基于双光子聚合的 3D 激光纳米打印已被引入光纤尖端 54,55,56,57,58,59 的 3D 微光学接口。最近，具有高数值孔径 57 、消色差聚焦 60 、多焦点生成 61 和逆向设计优化 41 的 3D 激光纳米打印透镜已集成到光纤端面上，以改善光纤的功能和应用。然而，直接在光纤上实现任意结构光仍然难以捉摸。

在这里，我们展示了结构光产生超纤维 （SLGM） 的设计、3D 激光纳米打印和表征，能够在 HOPS 上对任意结构光场进行光纤上变换（图 1）。对于样品实现和偏振操作，我们实验性地使用商用保偏单模光纤（PM-SMF、PM1550-XP、Thorlabs）。有关所用光纤的详细信息，请参阅补充说明1。为了允许 PM-SMF 的输出自由扩展以完全覆盖直径约为 100 μm 的 3D 超表面区域，而无需使用额外的光学元件（例如 GRIN 透镜），我们首先使用激光将空心塔结构（高度为 550 μm）打印到光纤端面上（图 1a）。塔架结构对光纤束输出的影响在补充说明2中进行了研究。请注意，塔和超表面是一次性打印在一起的，也就是说，它们由相同的材料制成（此处为IP-L聚合物）。为了证明我们的概念，我们展示了几种不同的SLGM，它们具有不同的结构光输出，包括径向（SLGM-1）和方位角（SLGM-2）偏振，拓扑电荷为-1（SLGM-3）和-3（SLGM-4）的圆偏振涡旋光束，以及HOPS上具有空间变化局部椭圆偏振（SLGM-5）的任意矢量场（图1b）。请注意，在这项工作中，我们没有在超表面设计中包括透镜的相位分布来准直光束，因为我们的首要任务是演示使用光纤集成系统生成复杂光束。值得一提的是，当需要准直光纤输出时，透镜轮廓可以在我们的超表面设计中实现，这是通过同时和独立控制超表面中的偏振和相位响应来实现的。我们发现，具有释放高度自由度的3D各向异性超原子提供了一个大大扩展的3D超原子库，允许在单个超原子水平上进行独立、完整和精确的偏振和相位控制，为使用单个超表面在光纤端面上产生任意结构的光铺平了道路。

a 在空心塔结构顶部与3D激光纳米打印超表面接口的保偏光纤示意图。超光纤输出具有任意结构的光场。b HOPS上实现的结构光场具有空间变化的偏振分布，一些例子用状态I至V表示。箭头表示电场的局部极化。c 超纤维侧视图示意图。

结果

设计原理

HOPS上的任意结构光场可以在数学上定义为左手和右手圆偏振分量的叠加（\（\left|{{{{{\bf{L}}}}}}\right\rangle\） 和 \（\left|{{{{{\bf{R}}}}}}\right\rangle\）） 携带不同的 OAM 模式 1 ：

其中\（\theta\）和\（\alpha\）（如图2a所示）分别表示圆偏振分量的加权振幅参数和相对相位贡献。\（m\） 和 \（n\） 分别表示右旋和左旋圆偏振分量中 OAM 模式的拓扑电荷。方程（1）可以改写为线性极化基（x-线性和y-线性极化）中的琼斯向量：

其中\（\zeta\）是结构光场横向横截面平面中的方位角。公式 2 可用于定义 HOPS 上具有不同偏振分布的不同矢量光束，图 2a 中显示了一些代表性示例（从 I 到 V）。请注意，在矩形元原子横截面中形成的两种正交模式几乎完全是线性极化的，这证明了使用琼斯矩阵形式主义的合理性（有关详细信息，请参阅补充注3）。

a 展示一阶HOPS上的五个代表性结构光场，由θ和α的不同角度定义。b 聚合物基体中3D激光纳米打印纳米柱波导示意图（H：高度，W：宽度，L：长度，\（\gamma\）：纳米柱相对于x轴的面内旋转角度）。c 模拟的 3D 元原子库包括 x 和 y 线性横向模态之间的相位差（左）和沿 x 方向偏振的光的传播相位（右）。d 突出显示了元原子库中的三个示例性数据平面，高度分别为 H = 8、10、12 μm。红色和黑色虚线分别表示满足π /2和π相位差的3D纳米柱。

现在，我们演示了用于在HOPS上实现矢量梁的3D聚合物超表面的设计。聚合物基体中的3D激光纳米打印纳米柱波导被用作超原子（图2b）。为了实现偏振控制所需的强双折射，我们设计了具有矩形横截面的各向异性纳米柱，该纳米柱支持波导模式，具有沿短轴和长轴的偏振的独特指数。根据Jones矩阵法，对于沿x方向的入射线偏振（x-y-z坐标定义见图2b），通过各向异性纳米柱波导后的输出光如下（补充注4）：

其中\（\gamma\）是纳米柱的面内旋转角，\（{t}_{{{{{{\rm{x}}}}}}}\）和\（{t}_{{{{{{\rm{y}}}}}}}\）分别是横向模态在x和y方向上极化的绝对透射幅度，\（\Delta \varphi\）是它们的相对相位。所有这些参数在空间上都依赖于 x 和 y 的函数。公式 3 表明，输出光束的偏振（由 \（\Delta \varphi\） 控制）和相位 （\（{\varphi }_{{{{{{\rm{x}}}}}}}}\）） 可以由单个纳米柱同时控制，这构成了实现任意结构光场的物理基础。请注意，\（{\varphi }_{x}\） 控制每个纳米柱波导的透射相位，而 \（\Delta \varphi\） 由于元件的矩形横截面，诱导模态双折射，以及面内旋转角 \（\gamma\） 允许控制透射光的偏振。我们设计的关键是找到以特定分布排列的 3D 纳米柱，以便它们的光学响应可以与方程 2 中定义的任何所需结构光场精确匹配。

我们在电信波长为1550 nm时，基于严格的耦合波分析方法建立了一个3D元原子库（图2c）。值得一提的是，3D纳米柱的高度自由度导致了具有3D数据集的大大扩展的超原子库，该库提供了一个扩展的源，以精确匹配任何所需的偏振和相位响应。我们给出了x和y极化横向模态之间的相位差以及x线性极化传播相位的仿真结果。我们考虑了由无损商业聚合物材料IP-L制成的3D纳米柱，其指数为1.5（Nanoscribe，GmbH），固定间距为P = 2.2 μm，长度L在0.8-1.8 μm范围内，宽度W为0.5-1.1 μm，高度H为6-14 μm。两种偏振本征态都具有较高的传输效率。3D纳米柱在相位差中表现出从0到π的宽动态范围，因此可以用作波片，将入射的x线偏振转换为不同的偏振输出。具体而言，当相位差等于π时，相应的纳米柱作为半波板工作，可以旋转入射线偏振的角度，为在HOPS赤道上产生各种圆柱矢量光束铺平了道路。相反，当相位差为 π/2 时，每个纳米柱都充当四分之一波板，并将线性偏振输入转换为圆偏振，从而可以进入 HOPS 的两极。当相位差取任何其他值时，纳米柱可以将线性偏振转换为不同的椭圆偏振，因此可以达到HOPS上的任何所需状态。

为了更好地说明3D超原子在相位差和传播相位响应中的广泛覆盖，我们在图2d中突出显示了3D库数据集中的三个单独的平面，其高度为H = 8,10和12μm。例如，我们可以选择不同高度的3D纳米柱来发挥半波或四分之一波板的功能，同时，它们可以覆盖相位响应的整个范围（0到2π）。因此，我们的研究结果表明，具有解锁高度自由度的三维纳米柱为实现任意结构光提供了一个强大的平台。值得强调的是，与其他平面平版印刷方法相比，纳米印刷工艺能够为每个纳米柱分配单独的高度是其主要优势之一，后者通常产生相同高度 10,60 的纳米结构（详见补充注5）。打印的纳米柱的横向尺寸在补充注6中进行了精确表征。在不损失通用性的情况下，我们在HOPS上拾取了五种不同的矢量状态来证明我们的SLGM概念，包括一阶HOPS赤道上的圆柱矢量光束（图3），位于一阶和三阶HOPS两极的圆偏振涡旋光束（图4），以及HOPS上携带空间变化椭圆偏振分布的任意矢量状态（图5）

a 所用3D纳米柱超原子的示意图。b 模拟了整个S、C和L电信波段以及部分E和U波段在宽光谱范围内的纳米柱响应。c 用于创建径向矢量状态的 3D 纳米柱的面内角度分布图示。d 用于创建径向矢量光束的SLGM-1的SEM图像示例（比例尺：50μm（顶部）和25μm（底部））。e， f 傅里叶平面（后焦平面成像）中径向 （e） 和方位角 （f） 矢量光束的 SLGM 输出的实验测量强度分布。红色箭头标记了插入相机前面的线性偏振器的偏振滤波轴，用于记录偏振相关的强度分布。

a， b 在超纤维上创建圆偏振涡旋光束输出的示意图 （a），这是由面内旋转角度为 45 度和 135 度的 3D 纳米柱阵列实现的比传播相位 （\（{\varphi }_{{{{{{\rm{x}}}}}}}\））和相位差 （\（\Delta \varphi\）） 映射，用于创建 \（\left|{\psi }_{R，-1}\right\rangle\） 和 \（\left|{\psi }_{L，-3}\right\rangle\） 显示在 （b） 中。（b）中的比例尺表示25μm。c SLGM−3超纤维制备的SEM照片。比例尺（左面板）：100μm。右面板左右：SLGM-3 和 SLGM-4 的放大区域。比例尺：25 μm （d） 两个SLGM傅里叶平面强度分布的模拟（左列）和实验（右列）结果。虚线圆圈标记傅里叶平面中的光束尺寸。e 通过在相机前插入旋转线性偏振器测量的SLGM的偏振椭圆度分析。灰色曲线标志着完美的圆偏振输出。

a HOPS上所需任意结构光场的示意图，包括强度和偏振分布。b 结构光场局部矢量状态的特写视图，其中椭圆度比和偏振方向角分别定义为\（a/b\）和\（\psi\）。c 两种偏振分量的振幅和相位分布，基于选择性匹配的3D超原子的光学响应。比例尺：25 μm。d SLGM-5的SEM照片。比例尺：30μm。e SLGM-5在傅里叶平面上的模拟和实验测量的强度分布。总强度（第一列）和偏振滤波强度图像（第二列和第三列，其中红色箭头标记线性偏振器的偏振轴）。虚线圆圈表示光束发散角为 0.05。

SLGM 上的圆柱矢量光束

圆柱矢量光束位于一阶HOPS（\（m=-n=1\））的赤道处，是一组特殊的空间变化矢量光束，具有局部线性偏振。作为圆柱矢量光束的典型例子，我们通过实验证明了两种SLGM可以产生径向（SLGM-1）和方位角（SLGM-2）极化（图3）。为了获得这些状态，方程2中的加权振幅参数\（\theta\）分别设置为\（\frac{\pi }{2}\），相对相位\（\alpha\）分别设置为0和π。得到的径向和方位极化态表示为 \（|{\psi }_{r}\rangle=\left[\begin{array}{c}\cos \zeta （x，\， y）\\ \sin \zeta （x，\， y）\end{array}\right]\） 和 \（|{\psi }_{a}\rangle=\left[\begin{array}{c}\sin \zeta （x，\， y）\\ -\cos \zeta （x，\， y）\end{array}\right]\），其中 \（\zeta （x，\， y）\） 是矢量光束横向横截面的方位角。为了满足唯一需要的偏振分布，我们使用了单一尺寸的3D纳米柱（图3a），其行为类似于半波板，测得的转换效率约为67%。（补充注7）纳米柱波导的长度L为1.60 μm，宽度W为0.55 μm，高度H为11 μm。我们发现，这种纳米柱在1.45至1.65 μm的整个S、C和L电信频段上具有高传输效率和x和y线性横向模式之间的\（\pi\）相位差（图3b）。公式 3 可以简化为 \（{E}_{{out}}（x，\， y）=\left[\begin{array}{c}\cos \left[2\gamma （x，\， y）\right]\\ \sin \left[2\gamma （x，\， y）\right]\end{array}\right]\） 假设 \（{t}_{{{{\rm{x}}}}}}} \， \approx \， {t}_{{{{\rm{y}}}}}}} \， \approx \， 1\）。因此，对于径向偏振输出，其局部线偏振角\（\zeta （x，\， y）\）可以很容易地通过纳米柱的面内旋转角\（\gamma （x，\， y）\）来控制[图3c]。为了实现方位极化输出，我们可以简单地将用于上述径向偏振的所有纳米柱旋转 45 度。

将直径为100 μm的圆柱形矢量束超表面3D激光纳米打印在空心塔结构（高度为550 μm）的顶部，该结构与PM-SMF端面相连（方法）。为了实现正确的偏振操作，必须仔细校准PM-SMF的偏振轴并与超表面的x轴对齐。这种对准是在激光纳米打印系统（Nanoscribe GT）的明场成像显微镜下进行实验进行的。超表面由与纳米结构和塔一起打印的薄膜（厚度 20 μm）支撑。具有径向偏振输出的SLGM-1的侧视扫描电子显微镜（SEM）图像在图.3d和补充注8中给出，揭示了塔顶上清晰的3D纳米柱超表面。为了表征SLGM上的圆柱矢量光束，将来自超连续谱激光源（SuperK Fianium，NKT Photonics）和红外波长选择器（SuperK Select，NKT Photonics）的线偏振1550 nm激光束耦合到SLGM的非结构化端。SLGM输出使用自制的傅里叶平面成像装置（补充注9）进行表征，并用近红外相机（Raptor，Owl 640 M）记录。在相机前面放置一个线性偏振器会导致相对于线性偏振器轴线的双瓣强度模式，使我们能够将SLGM输出识别为径向（图3e）和方位角（图3f）矢量光束 62 。具体来说，波瓣遵循线性偏振器偏振轴的方向，确认了圆柱偏振光束的产生。请注意，由于光束在超表面位置的延伸相对较大，因此局部光强度足够低以防止损坏样品。更多细节可以在参考文献的图 S 17 中找到。60

SLGM 上的圆偏振涡旋光束

位于HOPS两极的圆偏振涡旋光束表示在HOPS上推广的光场的基本矢量状态（见方程1）。现在，我们演示了另外两个SLGM，它们能够产生拓扑电荷分别为−1和−3的右旋和左旋圆偏振涡旋光束（SLGM-3和SLGM-4）（图4）。对于一阶HOPS北极的圆偏振涡旋光束（\（m=-n=1\）），方程2中的加权振幅参数\（\theta\）和相对相位\（\alpha\）均设置为0（产生样品SLGM-3）。相应的圆偏振涡旋光束可以用数学来描述为\（\left|{\psi }_{R，\， -1}\right\rangle=\frac{1}{\sqrt 2}{e}^{-i\zeta （x，\， y）}\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]\）.同样，对于三阶HOPS（\（m=-n=3\）南极的圆偏振涡旋光束，对于SLGM-4，方程2中的加权振幅参数\（\theta\）和相对相位\（\alpha\）分别设置为0和π，所得光束为\（\left|{\psi }_{L，\， -3}\right\rangle=\frac{1}{\sqrt 2}{e}^{-i3\zeta （x，\， y）}\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]\）.为了通过超表面实现这种矢量状态，需要对偏振和传播相位进行独立控制。

我们设计的纳米柱具有像四分之一波片一样的功能，具有很高的传输效率（\（{t}_{{{{{{\rm{x}}}}}}} \， \approx \， {t}_{{{{{{\rm{y}}}}}}} \， \approx \， 1\）），以及x和y线性偏振模式之间的相位差\（\frac{\pi }{2}\）。根据式3，纳米柱输出应表示为\（{E}_{{{{{{\rm{out}}}}}}}（x，\， y）={e}^{i{\varphi }_{{{{{{\rm{x}}}}}}}（x，\， y）}\left[\begin{array}{c}{\cos }^{2}\left[\gamma （x，\， y）\right]+{i*\sin }^{2}\left[\gamma （x，\， y）\right]\\ \frac{1}{2}（1-i）\sin \left[2\gamma （x，\， y）\right]\end{array}\right]\）。通过将纳米柱的面内旋转角\（\gamma （x，\， y）\）设置为\（\frac{\pi }{4}\）或\（\frac{3\pi }{4}\），输出成为\（{e}^{i{\varphi }_{{{{{{\rm{x}}}}}}}（x，\， y）}\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]\） 和 \（{e}^{i{\varphi }_{{{{\\rm{x}}}}}}}}}（x，\， y）}\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]\）（图 4a）。此外，x线性极化的传播相位\（{\varphi }_{{{{{{\rm{x}}}}}}}\）可以满足螺旋相位分布\（{e}^{{il}\zeta }\），其中\（l\）表示OAM模式的拓扑电荷。由于大大扩展了3D超原子库，我们可以找到传播相位响应从0到\（2\pi\）的3D纳米柱，以印制不同的OAM模式，同时保持\（\frac{\pi }{2}\）的几乎恒定的相位差（图4b）。

我们使用与上述相同的制造工艺来打印另外两个具有圆偏振涡旋光束输出的SLGM。这些SLGM的侧视SEM图像如图4c所示。为了确保精确的偏振转换，纳米柱的x轴相对于PM-SMF的偏振轴分别旋转45度和135度，分别用于右旋和左旋圆偏振输出。为了表征光纤输出的螺旋光束，我们在真实空间中记录了从超表面平面到1 mm距离的不同传播距离的一系列强度图（补充注10）。由于离开PM-SMF的光纤输出的发散波前，随着传播距离的增加，OAM强度分布会扩大。为了进一步验证OAM指数，我们测量了SLGM的傅里叶平面图像。我们发现傅里叶平面中的甜甜圈形光束图案表现出一致的发散角（SLGM3：0.05°和SLGM4：0.1°），这与我们的仿真结果一致，证实了变换后的OAM光束的性质（图4d）。实验结果中强度分布的不均匀性主要是由于光纤输出光束与超表面之间的错位（补充注11）。为了仅考虑OAM引起的光束发散，我们通过实验表征了OAM光束发散在具有最小光束尺寸的移动傅里叶平面上，通过该平面可以补偿光纤发散。此外，我们注意到强度模式中的一些干涉效应，我们认为这主要是由于不完美的光纤切割，使得光纤输出不均匀地入射到超表面上。最后，我们在相机前放置了一个线性偏振器来验证圆偏振输出。实验结果表明，在两个圆偏振度较高的SLGM中都成功产生了圆偏振涡旋光束输出（图4e）。

SLGM 上的任意结构光

为了进一步证明3D超表面的优越性，我们在一阶HOPS上随机选择了一个任意状态（\（m=-n=1\）），并通过设计、制造和使用另一个SLGM（SLGM-5）来演示这种状态的转变（图5a）。方程2中的加权振幅参数\（\theta\）和相对相位\（\alpha\）分别设置为\（2{\tan }^{-1}\left（\frac{1}{3}\right）\）和\（\frac{\pi }{4}\），导致向量状态写为\（\left|\psi \right\rangle=\frac{\sqrt 2}{20}\left[\begin{array}{c}3{e}^{i\zeta （x，\， y）}+{e}^{-i（\zeta （x，\， y）-\frac{\pi }{4}）}\\ -i（3{e}^{i\zeta （x，\， y）}-{e}^{-i（\zeta （x，\， y）-\frac{\pi }{4}）}）\end{array}\right]\）.它对应于椭圆偏振态，椭圆度比（a/b定义见图5b）为2，偏振方向\（\psi\）（半长轴）在空间上与方位角\（\zeta （x，\， y）\）相关。沿x和y方向的偏振态的具体振幅和相位分布显示在补充说明12中。基于矢量衍射理论 63,64,65 ，数值模拟了矢量光束在傅里叶平面上的衍射图，偏振分量沿x和y方向。为了满足所需的振幅和相位分布，我们选择了基于方程 3 的具有匹配光学响应的 3D 纳米柱，以满足所需的振幅和相位要求（图 5c）。我们还计算了我们设计的超原子在傅里叶平面上的强度响应，这与我们的理论结果非常吻合。傅里叶平面中产生的甜甜圈形总强度和旋转的双瓣偏振模式与我们期望的矢量状态一致（如图5a所示）。因此，通过测量超纤维傅里叶平面（图5e）中总强度和偏振滤波图像，对新制备的超光纤SLGM-5（图5d）进行了实验表征，结果与我们的理论和模拟结果非常吻合。仿真和实验结果表明，SLGM-5输出的一阶OAM光束诱导了0.05°的一致发散角。因此，我们通过实验验证了我们的超光纤平台能够直接在PM-SMF的端面上转换任意结构光场。

讨论

 

我们已经展示了一个超光纤平台，该平台可以使用纳米打印超表面将单模光纤的输出转换为HOPS上的任意结构光。我们已经成功地在商用 PM-SMF 上创建了聚合物 3D 超表面。3D纳米柱超原子中释放的高度自由度提供了一个大大扩展的3D超原子库，从而在单个超原子水平上实现独立、完整和精确的极化和相位控制。设计了几种SLGM，进行了3D激光纳米打印和表征，从而在HOPS上实现了五个具有代表性的结构光场。这些包括径向和方位极化（图3中的SLGM-1和SLGM-2）、圆偏振涡旋光束（图4中的SLGM-3和SLGM-4），以及从HOPS中选择的任意矢量状态，该矢量状态带有空间变化的椭圆偏振分布（图5中的SLGM-5）。由于结构光直接在光纤上实现结构光的简单性和集成性，为推动光纤科学技术向多模光整形和多维光-物质相互作用 66,67,68,69,70,71,72,73 发展提供了范式。结构光在利用光与物质相互作用 74 的新现象以及为光学成像和数据存储 75 提供新的多路复用方案方面产生了深远的影响。最近，携带轨道角动量的螺旋光束显示出高效的手性灵敏度 18,76 ，这可能为手性光谱学开辟新的机会。在传统的结构光显微镜中，为了制备不同的结构光模式，必须在基于台式的系统上级联一组笨重且昂贵的光学元件，例如波片、透镜和空间光调制器。这大大增加了系统的复杂性和成本。另一方面，我们的结构光超纤维可以直接在杂阶庞加莱球上产生任意结构光场，从而降低了系统的复杂性和成本。更重要的是，由于使用了单模光纤，我们转换后的任意结构光模式可以很容易地传递到远端，而不会受到透射或弯曲损耗、模畸变和光束发散的影响。因此，我们相信，按需生成任意结构光场和超光纤的“即插即用”功能可以为光学显微镜带来显著的好处。例如，结构光模式的长距离传输和传输可能不需要复杂的多模光纤，不幸的是，多模光纤会受到固有模态串扰和偏振混频的影响。或者，我们展示的超光纤平台可用于在光纤端面实现任意结构光转换，并实现定义明确的高质量结构光模式，而不会受到弯曲或缺乏可重复性的影响。因此，我们相信我们展示的结构光超光纤可以找到重要的应用，例如但不限于光纤通信 15 、光纤激光器、光纤传感器 39 、内窥镜成像 40 38 、光纤光刻 41 和光纤实验室技术 42,43 。

方法

 

SLGM的制造

基于聚合物的SLGM的3D激光纳米打印是通过商业光刻系统（Photonic Professional GT，Nanoscribe GmbH）通过双光子聚合工艺实现的。在纳米打印之前，纤维必须按如下方式制备：首先，剥离PM-SMF的涂层并切割端面，以确保表面完整和清洁。将加工后的光纤固定在标有线条的光纤支架中，以指示光纤的极化方向。将支架与光纤一起放入3D激光纳米打印系统的样品支架中。

为了精确定位光纤并标记其精确的 3D 位置（x、y 和 z 坐标），我们首先使用低放大倍率 （20x） 空气物镜找到了光纤界面，然后使用高数值孔径油浸物镜（Plan-Apochromat 63x/1.40 Oil DIC，蔡司）。此后，将 IP-L 780 光刻胶树脂滴铸到光纤上，并使用高精度平移台进行重新对准。在用高数值孔径物镜找到光纤端面后，以浸入式配置依次在光纤顶部打印了包括3D空心塔（高度为550μm）和3D超表面在内的整个结构。我们在塔架结构上开了一些孔，确保未聚合的光刻胶在化学显影过程中可以被冲走，从而在塔内形成一个自由空间的光束扩展区。该塔被设计成空心的，并具有几何形状，使得从光纤中射出的衍射光束不受影响（见图1（c））。具体来说，塔的圆形空心截面的直径为90μm（壁厚90μm），而从光纤出来的光束在超表面位置的直径为100μm。为了提高高纵横比聚合物纳米柱的机械稳定性，我们使用了以下优化的打印参数：激光功率 55 mW，扫描速度 3500 μm/s，以及小影线（横向激光移动步长：10 nm）和切片（轴向激光移动步长：20 nm）距离。纳米打印过程每个样品总共需要 10-13 小时，其中空心塔需要 5 小时，超表面需要 5-8 小时，具体取决于设计。激光曝光后，将样品分别浸入丙二醇单甲醚醋酸酯（PGMEA，Sigma-Aldrich）20 min、异丙醇（IPA，Sigma-Aldrich）5 min和甲氧基-九氟丁烷（Novec 7100 Engineered Fluid，3 M）中2 min。纳米柱显示出机械的长期稳定性，因为所实施的SLGM在空气中储存6个月后没有表现出性能下降的迹象。这种行为与我们的经验一致，即基于股的光导结构（所谓的光笼 77,78 ），其中包括更高纵横比的聚合物圆柱体。