Light Manipulation with Reconfigurable Phase-Only Devices
Authors:   , Pereiro García Javier 
Published: November 2024

In the past five decades, light-based technologies based have caused increasing interest due to their applications in various sectors such as medicine, optical communications, and microfabrication. Optical systems are becoming increasingly complex, needing tunable parts.

One of the most used materials for creating these devices are liquid crystals due to their electro-optical properties: they are birefringent and can be reconfigured under an external electric field, making them optimal candidates for reconfigurable phase devices without moving parts.

This thesis encompasses the design, manufacturing, and characterization of three different kinds of reconfigurable optical devices. All the processes have been carried out at the Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para las TICs (CEMDATIC) research center of the Universidad Politécnica de Madrid. Additionally, the employed driving electronics have also been developed and characterized.

The first device is a tunable optical vortex beam generator, known as a spiral phase plate. Optical vortex beams are light beams with a helical wavefront, defined by a parameter called topological charge (). These beams are characterized by having a phase singularity and their ability to transfer orbital angular momentum. Because of these two features, vortex beams have generated significant interest in sectors such as optical manipulation and communications. The developed device consists of 72 independently addressable pie-slice shaped pixels, enabling the generation of optical vortices with 72 different topological charges, 36 positives and 36 negatives. Furthermore, its ability to generate optical vortices with arbitrary fractional charges has been demonstrated. Lastly, these devices have been used to generate perfect vortex beams, vortex beams whose radial power distribution is independent of their topological charge.

The second device presented is a reconfigurable spiral axicon. Traditionally, axicons are glass or polymer cones that focus light along a line rather than a point, making them particularly useful in laser fabrication and metrology. The designed flat device includes 24 spiral-shaped electrodes, capable of emulating 12 positive and 12 negative different focus depths with a single device. Moreover, it has been shown that this axicon can generate perfect vortex beams when used in combination with a conventional converging lens.

The third device is a tunable spiral lens. These lenses are composed of 72 electrodes allowing the focal length to be electronically adjusted, offering 36 convergent and 36 divergent configurations. Different types of lenses with diameters ranging from 0.5 to 1 and various base focal lengths have been developed. Additionally, a strategy to minimize chromatic aberration through dynamic tuning is proposed. The influence of these lenses inherent optical vortices has been characterized, and techniques to correct their topological charge have been demonstrated. Finally, the use of these lenses in a zoom system has been presented, demonstrating its ability to reduce and magnify objects.

RESUMEN

En las últimas cinco décadas, las tecnologías basadas en la utilización de la luz han captado un interés creciente debido a sus aplicaciones en diversos sectores como la medicina, las comunicaciones y la microfabricación. Los sistemas ópticos contemporáneos son cada vez más complejos, poniendo de relieve la necesidad de desarrollar dispositivos ópticos sintonizables sin partes móviles.

Una de las familias de materiales más utilizada para la realización de estos dispositivos son los cristales líquidos debido a sus propiedades electroópticas: son birrefringentes y pueden ser reconfigurados mediante la aplicación de un campo eléctrico externo, lo que los convierte en candidatos óptimos para desarrollar dispositivos de fase reconfigurables sin partes móviles.

Esta tesis abarca tanto el diseño, como la fabricación y caracterización de tres dispositivos ópticos reconfigurables. Todos los procesos han sido llevados a cabo en las instalaciones del centro de investigación Centro de materiales y dispositivos avanzados para las TICs (CEMDATIC), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid. Además, la electrónica de control utilizada ha sido desarrollada y caracterizada en este mismo centro.

El primero de los dispositivos fabricados es un generador de vórtices ópticos sintonizables, conocido en inglés como spiral phase plate. Los vórtices ópticos son un tipo de haces de luz que están caracterizados por poseer un frente de onda helicoidal, definidos por un parámetro llamado carga topológica. Estos haces de luz poseen una singularidad de fase y pueden transmitir momento angular orbital. Debido a estas características han suscitado gran interés en sectores como la manipulación y las comunicaciones ópticas. El dispositivo desarrollado está compuesto por 72 pixeles triangulares que pueden ser direccionados de forma independientemente. Se ha logrado generar vórtices ópticos con 72 cargas topológicas enteras diferentes, 36 positivas y 36 negativas. A su vez, se ha demostrado como este dispositivo permite la generación de vórtices ópticos con cargas fraccionales arbitrarias. Por último, se ha corroborado la capacidad de este dispositivo la generación de vórtices perfectos, vórtices ópticos con una distribución de potencia radial independiente de la carga topológica.

El segundo dispositivo presentado es un axicon espiral reconfigurable. Los axicones son conos hechos de cristal o polímero que, en vez de enfocar la luz en un punto, lo hacen a lo largo de un volumen. Esta característica los hace particularmente interesantes en sectores como la fabricación por láser y la metrología. En este trabajo se presenta un dispositivo plano compuesto por 24 electrodos con forma espiral capaz de generar 12 profundidades de enfoque positivas y 12 negativas. Se ha demostrado además como este dispositivo puede usarse para generar vórtices ópticos perfectos cuando se utiliza en combinación con una lente convergente convencional.

El último dispositivo presentado son las lentes espirales sintonizables. Estas lentes formadas por 72 electrodos permiten cambiar su distancia focal mediante las señales eléctricas aplicadas dando lugar a 36 configuraciones convergente y 36 divergentes. Se han desarrollado diferentes tipos de lentes con diámetros de entre 0.5 y 1 y diversas distancias focales base. Además, en esta tesis se propone una estrategia para minimizar la aberración cromática mediante la sintonización dinámica de las lentes. Se ha caracterizado a su vez la influencia de los vórtices ópticos inherentes a este tipo de lentes y se han demostrado técnicas para compensar la carga topológica de las mismas. Finalmente, se ha propuesto el uso de estas lentes en un sistema de zoom, demostrando su capacidad para reducir y magnificar objetos.