Sinar Bessel – Gaussian dalam chip susunan kisi yang didistribusikan secara konsentris

Cipbessel.com – Sinar Bessel yang dilengkapi dengan penyembuhan mandiri sangat penting untuk aplikasi penginderaan optik di lingkungan hamburan rintangan. Pembuatan balok Bessel on-chip yang terintegrasi mengungguli struktur konvensional dalam hal ukurannya yang kecil, kokoh, dan skema bebas penyelarasan. Namun, jarak propagasi maksimum (Z _max ) yang disediakan oleh pendekatan yang ada tidak dapat mendukung penginderaan jarak jauh, sehingga membatasi potensi penerapannya. Dalam karya ini, kami mengusulkan chip fotonik silikon terintegrasi dengan struktur unik yang dilengkapi dengan susunan kisi yang terdistribusi secara konsentris untuk menghasilkan sinar Bessel-Gaussian dengan jarak propagasi yang jauh. Titik dengan profil fungsi Bessel diukur pada 10,24 m tanpa lensa optik, dan panjang gelombang operasi chip fotonik dapat dilakukan terus menerus dari 1500 hingga 1630 nm.

Untuk mendemonstrasikan fungsionalitas sinar Bessel-Gaussian yang dihasilkan, kami juga secara eksperimental mengukur kecepatan rotasi objek yang berputar melalui Efek Doppler rotasi dan jarak melalui prinsip jangkauan laser fase. Kesalahan maksimum kecepatan putaran dalam percobaan ini diukur sebesar 0,05%, yang menunjukkan kesalahan minimum dalam laporan saat ini. Dengan ukuran yang kompak, biaya rendah, dan potensi produksi massal dari proses terintegrasi, pendekatan kami menjanjikan untuk memungkinkan sinar Bessel-Gaussian dalam komunikasi optik luas dan aplikasi manipulasi mikro.

Perkenalan Sinar Bessel

Sinar Bessel, dengan kedalaman bidang yang signifikan dan karakteristik penyembuhan diri ¹ , telah diterapkan dalam aplikasi yang luas, termasuk belitan kuantum ² , pencitraan 3D bawah air ³ , manipulasi mikro optik ⁴ , mikroskop ⁵ , dan seterusnya. Ada berbagai cara untuk menghasilkan berkas Bessel, seperti celah melingkar dan lensa ⁶ , aksikon ^7 , 8 , dan modulator cahaya spasial (SLM) ⁹ . Namun, metode ini rumit karena penggunaan elemen optik yang besar. Hal ini menghalangi penerapan sistem pembangkitan sinar Bessel dalam aplikasi praktis. Baru-baru ini, beberapa sistem kompak telah diusulkan untuk menghasilkan sinar Bessel dengan menggunakan sirkuit terpadu fotonik (PIC) ¹⁰ , permukaan meta ^11 , 12 , pandu gelombang terintegrasi ¹³ , dan serat cetak 3D ¹⁴ . Metode berdasarkan PIC hanya menghasilkan sinar Bessel kuasi-1D. Sistem berbasis metasurface memerlukan penyelarasan yang akurat sehingga terjadi masalah ketidakstabilan. Teknik yang mengandalkan serat cetak 3D tidak dapat secara efektif memanipulasi polarisasi sinar datang. Selain itu, jarak rambat balok Bessel yang dihasilkan oleh teknologi di atas pendek (perbandingan terperinci diilustrasikan dalam Tabel Tambahan S1 dan Bagian Tambahan 1 ), yang jauh dari jarak balok Bessel yang dihitung secara teoritis tak terbatas. Ini secara signifikan membatasi penerapan sinar Bessel dalam skenario yang memerlukan jarak propagasi yang jauh, seperti penginderaan optik, komunikasi optik, dan sebagainya.

Sinar Bessel yang ditumpangkan oleh gelombang bidang menunjukkan sifat ideal dengan ekstensi tak terhingga dan energi tak terhingga. Namun, pembangkitan sinar Bessel secara praktis menyimpang dari sinar ideal karena panjang jarak rambat maksimum Z _max ⁶ . Hal ini disebabkan tidak hanya oleh perpanjangan terbatas wavelet bidang tersebut tetapi juga oleh area superposisi pendek wavelet tersebut. Sinar Bessel – Gaussian ¹⁵ (BGb) adalah solusi persamaan gelombang paraksial dan dapat diperoleh dengan superposisi serangkaian sinar Gaussian. Ia membawa daya terbatas dan dapat diubah menjadi sinar Bessel melalui modulasi transversal. Yang terpenting, berkas Bessel dan BGb memiliki profil intensitas yang sama dalam bentuk fungsi Bessel pada jarak propagasi tertentu. Secara teori, BGb juga dapat merambat tanpa batas ¹⁶ . Namun, properti tak terhingga ini belum menarik banyak perhatian karena karakteristik propagasi BGb orde nol yang serupa dengan karakteristik propagasi berkas Gaussian biasa. Untuk BGb orde tinggi, karakteristik propagasi tak terbatas ini dapat memberikan manfaat signifikan pada studi berkas Bessel melalui teknologi kolimasi. Perbandingan terperinci dari kedua balok ini dan prinsip BGb tak terbatas dapat ditemukan