Femtosecond laser direct writing of a Fresnel zone plate in glasses for mid-infrared imaging applications
Texturation par laser femtoseconde d'une lentille de Fresnel dans une lame optique pour des applications en imagerie dans le moyen infrarouge
Résumé
An important challenge in infrared imaging today consists in addressing the SWaP problem (Size, Weight and Power), for example by simplifying as much as possible the optical system before the sensor. The work presented in this paper takes advantage of recent techniques in femtosecond laser direct writing to imprint optical systems. This work aims at merging a lens array with a filter array by writing gradient index lenses with a femtosecond laser inside a dedicated glass substrate. A classical gradient index lens requires a huge refractive index variation, which cannot be reached today with femtosecond laser processing (Δnmax ~ 0,05). So, we decided to turn towards writing a gradient index Fresnel lens. A first-order Fresnel lens was designed with a Δnmax < 5.10−2 discretised into 8 index levels to guarantee a diffraction efficiency of 85% on the overall spectral bandwidth of the filters. We studied a chalcogenide glass because of his good properties in mid-IR optics. We compared the different laser responses of the material: threshold of permanent changes, quantitative phase and index variation. Finally, we showed that reaching a phase variation of π radians with femtosecond laser writing is possible even for a huge scanning speed (0,01 mm/s up to 25 mm/s). By overlapping the written lines, we were able to implement a maximum phase variation of 8 radians (with only one written layer), demonstrating the possibility to write quickly a GRIN Fresnel lens with a diameter of some millimeters.
Un défi important dans l'imagerie infrarouge consiste aujourd'hui à résoudre le problème SWaP (Size, Weight and Power), par exemple en simplifiant autant que possible le système optique avant le capteur. Le travail présenté dans cet article tire parti des techniques récentes de texturation par laser femtoseconde pour créer des systèmes optiques. Ce travail vise à fusionner une matrice de lentilles avec une matrice de filtres en écrivant des lentilles à gradient d'indice avec un laser femtoseconde dans un substrat dédié. Une lentille classique à gradient d'indice nécessite une variation importante de l'indice de réfraction, qui ne peut être atteinte aujourd'hui avec une fabrication par laser femtoseconde (Δn ~ 0,05). Nous avons donc décidé de nous tourner vers l'écriture d'une lentille de Fresnel à gradient d'indice. Une lentille de Fresnel du premier ordre a été conçue avec un Δn < 5e-2 discrétisé en 8 niveaux d'indice afin de garantir une efficacité de diffraction de 85% sur la bande passante spectrale globale des filtres. Nous avons étudié un verre de chalcogénure en raison de ses bonnes propriétés optiques dans le moyen infrarouge. Nous avons comparé les différentes réponses laser du matériau : seuil de changements permanents, variation quantitative de phase et d'indice. Enfin, nous avons montré qu'atteindre une variation de phase de π radians avec une texturation laser femtoseconde est possible même pour une vitesse d'écriture très élevée (0,01 mm/s à 25 mm/s). En superposant légèrement les lignes texturées, nous avons pu mettre en œuvre une variation de phase maximale de 8 radians (avec une seule couche), démontrant la possibilité d'écrire rapidement une lentille de Fresnel GRIN d'un diamètre de quelques millimètres.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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