Światłowody są znane i powszechnie używane w telekomunikacji i w konstrukcji przyrządów optycznych od około sześćdziesięciu lat. Właściwości światłowodów są zdeterminowane przez rozkład współczynnika załamania w przekroju włókna, co jest bezpośrednio związane z jego budową i składem materiałowym. Jednak obecnie dostępne metody wytwarzania światłowodowych nie pozwalają swobodnie kształtować rozkładu współczynnika załamania. Rozwiązaniem jest całkowicie nowa koncepcja kształtowania rozkładu współczynnika załamania światła  zaproponowana przez prof. R. Buczyńskiego i polegająca na konstruowaniu włókna poprzez budowanie go z nanostrukturalnych elementów. W podejściu tym, do budowy rdzenia światłowodu, wykorzystuje się teorię ośrodka efektywnego. Koncepcja ta polega na ułożeniu rdzenia światłowodu tylko z dwóch rodzajów pręcików szklanych różniących się współczynnikiem załamania. Przy odpowiednio małych średnicach pręcików, tj. poniżej 1/5 wykorzystywanej długości fali, materiał rdzenia jest traktowany efektywnie przez falę świetlną, tj. jego właściwości są uśredniane.

Nowy element mikrooptyczny projektowany jest na podstawie wyników symulacji optycznych opartych na metodach: śledzenia promieni, propagacji wiązki (BPM), elementów skończonych (FEM), różnic skończonych (FDE) i różnic skończonych w domenie czasu (FTDT). Do projektowania wykorzystuje się algorytmy typu: symulowane wyżarzania, algorytmy genetyczne i losowe błądzenie. Elementy układane są z dwóch rodzajów szkieł i wyciągane na wieży optycznej. Otrzymany mikrostrukturalny światłowód cięty jest na krótsze elementy, często o grubości kilkudziesięciu mikrometrów. Każdy z tych mikroelementów jest w pełni funkcjonalnym komponentem optycznym. W ten sposób wytworzyliśmy elementy mikrooptyczne takie jak: mikrosoczewki gradientowe, maski fazowe oraz matryce takich elementów. Jedna z głównych zalet tych elementów jest ich łatwa integracja z optyką światłowodową. Wynika to z faktu, że elementy te mają pełna funkcjonalność optyczna zawartą w materiale i nie jest konieczne geometryczne modyfikowanie powierzchni. W rezultacie komponenty charakteryzują się płaskimi powierzchniami.

Przykłady komponentów optycznych: a) mikrosoczewka nGRIN, b) matryca mikrosoczewek, c) maska fazowa do generacji wiru optycznego, d) integracja światłowodu, dystansu szklanego z mikrokomponentem optycznym o grubości ok. 33 µm.

Wytworzone elementy mikrooptyczne zostały wykorzystane m.in. do: budowy najmniejszego na świecie detektora Shacka-Hartmanna, kamery pola optycznego do obrazowania 3D i manipulatora/szczypiec optycznych.

Przykład działania detektora Shacka –Hartmanna. Rekonstrukcja kształtu soczewki.

Kamera pola optycznego do obrazowania 3D [B14]: a) matryca mikrosoczewek GRIN, b) układ do obrazowania, c) rekonstrukcja obrazu, i d) zrekonstruowany obraz 3D.

Schemat manipulatora optycznego: a) światłowód ze zintegrowaną mikroskoczewką nGRIN i b) optyczne „trzymanie” mikrokulki silikonowej (żółte kółko) w roztworze wodnym [B13].

Publikacje

H. T. Nguyen, K. Switkowski, R. Kasztelanic, A. Anuszkiewicz, A. Filipkowski, H. V. Le, D. Pysz, R, Stepien, W, Krolikowski, and R. Buczynski, Optical characterization of single nanostructured gradient index vortex phase masks fabricated by the modified stack-and-draw technique, Opt. Comm. 463, 125435 (2020).

R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Stepien, R. Buczynski, Light field camera based on hexagonal array of flat-surface nanostructured GRIN lenses, Opt. Express. 27(24), 34985-34996 (2019)

R. Buczynski, A. Filipkowski, B. Piechal, H. T. Nguyen, D. Pysz, R. Stepien, A. Waddie, M. R. Taghizadeh, M. Klimczak, and R. Kasztelanic, Achromatic nanostructured gradient index microlenses, Opt. Express 27(7), 9588-9600 (2019).

B. Morova, N. Bavili, Ö. Yaman, B. Yigit, M. Zeybel, M. Aydin, B. Dogan, R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Buczynski, and A. Kiraz, Design and fabrication of large numerical aperture, high-resolution optical fiber bundles based on novel high-contrast pairs of soft glasses for fluorescence imaging, Opt. Express 27(7), 9502-9515 (2019).

A. Anuszkiewicz, R. Kasztelanic, A. Filipkowski, G. Stepniewski, T. Stefaniuk, B. Siwicki, D. Pysz, M. Klimczak, and R. Buczynski, Fused silica optical fibers with graded index nanostructured core, Sci. Rep 8, 12329 (2018).

R. Kasztelanic, A. Filipkowski, A. Anuszkiewicz, P. Stafiej, G. Stępniewski, D. Pysz, K. Krzyżak, R. Stępień, M. Klimczak, R. Buczyński, “Integrating free-form nanostructured GRIN microlenses with single-mode fibers for optofluidic systems,” Scientific Reports 8, 5072 (2018).

R. Kasztelanic, A. Filipkowski, D. Pysz, R. Stepien, A.J. Waddie, M.R. Taghizadeh, R. Buczynski, “High-resolution Shack-Hartmann sensor based on array of nanostructured GRIN lenses,” Optics Express 25(3), 1680–1691 (2017).