Monolithic integration of volume diffraction gratings fabricated with the femtosecond laser

Resumen

Los elementos ópticos difractivos (EODs) se utilizan ampliamente en una gran variedad de sistemas ópticos de espacio libre. Estos dispositivos son esenciales para cualquier operación en la que la dirección, el perfil o las propiedades espectrales de la luz ha de ser manipulada, lo que permite una gran cantidad de aplicaciones en la ciencia y la industria. Algunos de los sectores donde es habitual encontrar ejemplos de estos dispositivos son las telecomunicaciones, la salud, los sistemas de visualización, la producción energética, la fabricación industrial o las tecnologías de detección. Los últimos avances en la fabricación de estos dispositivos abordan varias líneas de investigación; principalmente, el aumento de la resolución espacial y fasorial mediante una mayor miniaturización e integración de los elementos ópticos, y la incorporación de nuevas tecnologías de fabricación con el fin de aumentar la rentabilidad y reducir el impacto medioambiental del proceso de fabricación. Entre los diferentes tipos de elementos ópticos difractivos se encuentras los EODs de volumen, los cuales están embebidos dentro del grueso de materiales transparentes. Este tipo de elemento ofrece varias ventajas respecto a los EODs de superficie, que son la forma alternativa en la que están inscritas en la superficie de los materiales. Por ejemplo, debido a que el elemento está cubierto por el material en el que está incrustado, la estructura difractiva es menos propensa a posibles daños como raspaduras o derrames de aceite, lo cual es de especial interés para aplicaciones industriales. Adicionalmente, la fabricación en volumen permite el desarrollo de elementos con nuevas funcionalidades, ya que, debido a su naturaleza tridimensional, permite la realización de diseños innovadores y la posible integración de varios elementos en uno. En esta tesis se ha desarrollado la fabricación de EODs de volumen utilizando la tecnología del láser pulsado de femtosegundos. Explotando las propiedades de los vidrios nanoestructurados como soporte donde aplicar los procesos, se han desarrollado dispositivos basados en el elemento óptico de la red de fase con propiedades controlables mediante los parámetros de fabricación laser. En particular, se ha logrado la integración monolítica de un sistema formado por dos redes de fase con una alta eficiencia de difracción en tiempos de fabricación escalables industrialmente. El diseño de los procesos de fabricación se ha basado en el estudio riguroso de las propiedades de difracción de los dispositivos, tanto utilizando métodos de análisis avanzado como métodos de simulación. De esta manera, se ha demostrado la amplia gama de operaciones ópticas que se puede lograr con la red de fase en volumen, mostrando así su aplicación potencial para abordar demandas específicas de una tecnología fotónica cada vez más avanzada. Como resultado, hemos fabricado y caracterizado tres elementos ópticos difractivos de alta eficiencia con los cuales se consiguen diferentes operaciones según la configuración de iluminado. Por un lado, se ha demostrado que el dispositivo de red gruesa da lugar a la mayor eficiencia de difracción cuando se tiene en cuenta la generación de un solo haz difractado. Alternativamente, la fabricación de redes delgadas ha llevado a la generación controlable de múltiples haces, así como a la generación de auto-imágenes de alta visibilidad. Finalmente, se ha demostrado que el sistema de red doble integrado monolíticamente muestra propiedades difractivas emergentes tales como una difracción periódica al ángulo de incidencia, una banda de difracción ajustable a la longitud de onda y la generación de un régimen continuo de auto-imagen.