La plupart des sources laser produisent des faisceaux gaussiens qui divergent lors de leur propagation. Cet étalement naturel limite leur efficacité dans les applications nécessitant que la lumière reste concentrée sur de longues distances. Pour surmonter ce défi, des faisceaux lumineux structurés ont été développés, dont l’amplitude, la phase et la polarisation peuvent être soigneusement contrôlées.
Parmi eux figurent les faisceaux de Bessel, générés par l’autocohérence des faisceaux laser lors de leur propagation dans l’espace. Cependant, les faisceaux de Bessel idéaux possèdent des structures annulaires complexes qui compliquent leur utilisation pratique. De plus, les méthodes existantes pour générer des formes de faisceaux avancées, comme les faisceaux optiques en bouteille, impliquent souvent des montages complexes et coûteux nécessitant un alignement précis.
Désormais, des chercheurs de l’Université de Chiba, au Japon, ont développé une méthode simple et compacte pour générer un faisceau laser en chaîne qui reste non diffractant lors de sa propagation en espace libre. Dans ce système, un faisceau gaussien est d’abord transformé en un faisceau de Bessel d’ordre zéro modifié à l’aide d’un axicon binaire. Ce faisceau de Bessel modifié, avec des lobes secondaires supprimés, est ensuite focalisé à l’aide d’une lentille diffractive multicouche (LDM) plate pour former un faisceau optique en bouteille de haute qualité, nettement défini.
Cet article a été mis en ligne le 18 février 2026 et publié dans le volume 13, numéro 5 de la revue ACS Photonics le 4 mars 2026.
« Notre recherche expérimentale introduit une méthode novatrice et efficace pour produire des faisceaux optiques en bouteille de haute qualité, de taille micronique, qui restent non diffractants sur de longues distances en espace libre, offrant des avantages significatifs pour faire progresser les applications optiques et les interactions lumière-matière », explique le Dr Reddy.
Un faisceau optique en bouteille contient une série de régions sombres entourées de régions lumineuses, formant une sorte de « cage lumineuse » qui peut piéger et manipuler des particules et des atomes. Dans la méthode proposée, un faisceau gaussien est d’abord remodelé en un faisceau de Bessel par l’axicon binaire. Ce faisceau de Bessel est ensuite dirigé vers la lentille diffractive multicouche, où il est étroitement focalisé et dynamiquement remodelé en espace libre.
Lorsque le faisceau se propage à travers la LDM, il forme des régions lumineuses et sombres alternées le long de son trajet en raison d’une interférence longitudinale contrôlée. Ces régions se combinent progressivement pour créer un faisceau optique en bouteille tridimensionnel de haute qualité. Ce processus commence à une distance de travail d’environ 20 cm de la lentille et reste invariant sur une longue distance en espace libre, démontrant de solides caractéristiques d’auto-guérison et de non-diffraction.
La LDM est composée d’anneaux concentriques d’une largeur de 7 μm et de hauteurs allant de 0 à 1,7 μm. En utilisant une approche de conception inverse, la lentille plate impose précisément ses fonctionnalités à la lumière incidente, permettant la transformation du faisceau de Bessel entrant en un faisceau optique en bouteille invariant lors de la propagation, avec des régions lumineuses et sombres nettement définies.
Comparée aux lentilles conventionnelles, l’approche basée sur la LDM offre un contrôle optimisé de la focalisation et des efficacités de diffraction du faisceau de sortie. Cette approche expérimentale peut être démontrée avec des lasers ultrarapides, permettant la génération d’harmoniques élevées d’un faisceau optique en bouteille grâce à des interactions lumière-matière intenses et non perturbatrices.
En combinant une conception compacte avec un contrôle précis du faisceau et une distance de propagation étendue, ce travail présente une méthode pratique et évolutive pour générer des faisceaux optiques en bouteille non diffractants, faisant progresser les technologies optiques et photoniques de nouvelle génération.
« Les résultats expérimentaux rapportés dans ces travaux de recherche sont potentiellement utiles pour des applications en temps réel telles que l’imagerie biologique à haute résolution dans des milieux aléatoires, le piégeage ou la manipulation de particules, l’usinage par micro-érosion et le pilotage de processus de génération d’harmoniques élevées », souligne le Dr Reddy.
L’étude a été dirigée par le professeur adjoint Andra Naresh Kumar Reddy du Centre de recherche sur la chiralité moléculaire de l’Université de Chiba, également affilié au Quantlight and High Harmonics Lab Pvt. Ltd., en Inde. Parmi les autres contributeurs figuraient le professeur Rajesh Menon du Département de génie électrique et informatique de l’Université de l’Utah, aux États-Unis, et Oblate Optics, aux États-Unis ; le Dr Srinivasa Rao Allam et le professeur Takashige Omatsu de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba ; et le Dr Vishwa Pal du Département de physique de l’Institut indien de technologie Ropar, en Inde.
Article : Generating Nondiffracting Bottle Beams with a Flat Multilevel Diffractive Lens – Journal : ACS Photonics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chiba U.
