研究人員展示了3D打印微米級(jí)光學(xué)元件的過程，該技術(shù)的性能和重復(fù)性都是前所未有的。他們的方法可用于在微米級(jí)或更小尺度上建造幾乎所有類型的集成光學(xué)元件，這有助于使從傳感到電信領(lǐng)域所使用的儀器和設(shè)備小型化。
在光學(xué)學(xué)會(huì)的高影響力研究型期刊《Optica》中，研究人員報(bào)道了在直徑僅125微米的光纖的正中心位置上直接制造小到4.4微米的光學(xué)元件的過程，該光纖的直徑僅比人頭發(fā)絲的直徑略厚。他們用一種被稱為飛秒激光直寫的技術(shù)來完成這一艱難的壯舉，并表明光學(xué)元件的性能密切匹配模擬結(jié)果。
德國斯圖加特大學(xué)超快納米光學(xué)領(lǐng)域的主席，領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊(duì)的Harald Giessen指出：“雖然飛秒激光直寫技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，但我們展示了該技術(shù)能夠用于以一種高度可重復(fù)和可靠的方式制作高性能微光學(xué)元件。我們認(rèn)為該方法能夠被擴(kuò)展，以進(jìn)行批量制造并用于在微小尺度上直接打印幾乎所有類型的光學(xué)元件，開啟了集成微光學(xué)和納米光學(xué)的新時(shí)代。”
用光進(jìn)行直寫
飛秒激光直寫技術(shù)用激光器發(fā)射脈沖很短的光，以選擇性地硬化光敏材料。材料硬化只發(fā)生在激光器光線聚焦的小三維區(qū)域內(nèi)，然后將所有未硬化的材料沖走，露出已建造好的3D結(jié)構(gòu)。
雖然全世界的許多實(shí)驗(yàn)室都制作出其自己的3D激光直寫系統(tǒng)，但這些自制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件和激光器功率的差異非常敏感，從而不能可靠地制造高質(zhì)量微光學(xué)元件。為了克服這些問題，研究人員用一種已設(shè)計(jì)出的市售雙光子3D激光光刻系統(tǒng)來直寫納米尺寸結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由Nanoscribe有限公司制造，專為穩(wěn)定性、可靠性和質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。
Giessen解釋道：“我們有一種類似于一支筆的東西，讓我們能夠透過材料進(jìn)行3D移動(dòng)，以類似于3D打印機(jī)但尺度又非常小的方式生成結(jié)構(gòu)。如果你將一組參數(shù)導(dǎo)入到我們的系統(tǒng)和世界上其他地方的系統(tǒng)中，你將得到完全相同的結(jié)果。即使在今后的幾個(gè)月進(jìn)行這種對(duì)比，每次產(chǎn)生的結(jié)果還是相同的。”
建造相位掩模
研究人員用3D激光直寫系統(tǒng)建造名為相位掩模的光學(xué)元件，相位掩模提供一種簡潔的方法，可在不使用大而笨重的透鏡的情況下對(duì)從光纖末端出來的光進(jìn)行塑形。
通常情況下，離開光纖末端的光屬于高斯型的，這意味著它中間部分亮，并向邊緣部分變暗。研究人員直接在光纖的末端上建造相位掩模，將光塑造為平頂輪廓，使整個(gè)照明區(qū)域的亮度相同，或者塑造為甜甜圈形狀，以被明亮光環(huán)包圍著的中空部分為特色。
Giessen指出：“由于相位掩模非常小且直接建造在光纖的末端上，即使是相位掩模中心位置的細(xì)微誤差也會(huì)導(dǎo)致甜甜圈形光束不好看且不圓。我們解決了最困難的問題之一：直接在單模光纖的中心以亞微米精度反復(fù)植入相位掩模。”
直接激光直寫方法可用于以多種方式建造光學(xué)元件。研究人員發(fā)現(xiàn)，從中心位置開始一環(huán)接一環(huán)地建造相位掩模，或者從底部開始一層接一層地建造相位掩模，都能生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。
文章的第一作者，斯圖加特大學(xué)的Timo Gissibl指出：“根據(jù)你所選擇的直寫方式，你可能獲得不同的光學(xué)特性，此外，你能夠以什么樣的速度直寫和以多快的速度制造光學(xué)元件很大程度上取決于你的直寫模式。”
研究人員建造的相位掩模有多種潛在用途。通過取代大型光學(xué)鏡頭，頂環(huán)掩模能夠以更小的內(nèi)窺鏡形式實(shí)現(xiàn)照明，它可以用于在諸如結(jié)腸鏡檢查等非侵入手術(shù)或過程期間進(jìn)行體內(nèi)觀察。例如，生成甜甜圈形狀光的帶有相位掩模的光纖可以直接放入液體中并用于光學(xué)捕獲顆?；蚣?xì)胞。此外，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者Lihong Wang指出，光聲內(nèi)窺鏡可以受益于極小型的空心光束傳輸。
該研究團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以弄清3D激光直寫技術(shù)是否能用于建造一個(gè)微型相位掩模，以便將光纖輸出塑造成扭曲的光，這對(duì)量子糾纏和其他應(yīng)用有極為重要的意義。Giessen表示：“既然儀器可用了，限制我們的因素只剩下我們的思維，即如何想辦法利用該儀器。”
在光學(xué)學(xué)會(huì)的高影響力研究型期刊《Optica》中，研究人員報(bào)道了在直徑僅125微米的光纖的正中心位置上直接制造小到4.4微米的光學(xué)元件的過程，該光纖的直徑僅比人頭發(fā)絲的直徑略厚。他們用一種被稱為飛秒激光直寫的技術(shù)來完成這一艱難的壯舉，并表明光學(xué)元件的性能密切匹配模擬結(jié)果。
德國斯圖加特大學(xué)超快納米光學(xué)領(lǐng)域的主席，領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊(duì)的Harald Giessen指出：“雖然飛秒激光直寫技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，但我們展示了該技術(shù)能夠用于以一種高度可重復(fù)和可靠的方式制作高性能微光學(xué)元件。我們認(rèn)為該方法能夠被擴(kuò)展，以進(jìn)行批量制造并用于在微小尺度上直接打印幾乎所有類型的光學(xué)元件，開啟了集成微光學(xué)和納米光學(xué)的新時(shí)代。”
用光進(jìn)行直寫
飛秒激光直寫技術(shù)用激光器發(fā)射脈沖很短的光，以選擇性地硬化光敏材料。材料硬化只發(fā)生在激光器光線聚焦的小三維區(qū)域內(nèi)，然后將所有未硬化的材料沖走，露出已建造好的3D結(jié)構(gòu)。
雖然全世界的許多實(shí)驗(yàn)室都制作出其自己的3D激光直寫系統(tǒng)，但這些自制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件和激光器功率的差異非常敏感，從而不能可靠地制造高質(zhì)量微光學(xué)元件。為了克服這些問題，研究人員用一種已設(shè)計(jì)出的市售雙光子3D激光光刻系統(tǒng)來直寫納米尺寸結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由Nanoscribe有限公司制造，專為穩(wěn)定性、可靠性和質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。
Giessen解釋道：“我們有一種類似于一支筆的東西，讓我們能夠透過材料進(jìn)行3D移動(dòng)，以類似于3D打印機(jī)但尺度又非常小的方式生成結(jié)構(gòu)。如果你將一組參數(shù)導(dǎo)入到我們的系統(tǒng)和世界上其他地方的系統(tǒng)中，你將得到完全相同的結(jié)果。即使在今后的幾個(gè)月進(jìn)行這種對(duì)比，每次產(chǎn)生的結(jié)果還是相同的。”
建造相位掩模
研究人員用3D激光直寫系統(tǒng)建造名為相位掩模的光學(xué)元件，相位掩模提供一種簡潔的方法，可在不使用大而笨重的透鏡的情況下對(duì)從光纖末端出來的光進(jìn)行塑形。
通常情況下，離開光纖末端的光屬于高斯型的，這意味著它中間部分亮，并向邊緣部分變暗。研究人員直接在光纖的末端上建造相位掩模，將光塑造為平頂輪廓，使整個(gè)照明區(qū)域的亮度相同，或者塑造為甜甜圈形狀，以被明亮光環(huán)包圍著的中空部分為特色。
Giessen指出：“由于相位掩模非常小且直接建造在光纖的末端上，即使是相位掩模中心位置的細(xì)微誤差也會(huì)導(dǎo)致甜甜圈形光束不好看且不圓。我們解決了最困難的問題之一：直接在單模光纖的中心以亞微米精度反復(fù)植入相位掩模。”
直接激光直寫方法可用于以多種方式建造光學(xué)元件。研究人員發(fā)現(xiàn)，從中心位置開始一環(huán)接一環(huán)地建造相位掩模，或者從底部開始一層接一層地建造相位掩模，都能生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。
文章的第一作者，斯圖加特大學(xué)的Timo Gissibl指出：“根據(jù)你所選擇的直寫方式，你可能獲得不同的光學(xué)特性，此外，你能夠以什么樣的速度直寫和以多快的速度制造光學(xué)元件很大程度上取決于你的直寫模式。”
研究人員建造的相位掩模有多種潛在用途。通過取代大型光學(xué)鏡頭，頂環(huán)掩模能夠以更小的內(nèi)窺鏡形式實(shí)現(xiàn)照明，它可以用于在諸如結(jié)腸鏡檢查等非侵入手術(shù)或過程期間進(jìn)行體內(nèi)觀察。例如，生成甜甜圈形狀光的帶有相位掩模的光纖可以直接放入液體中并用于光學(xué)捕獲顆?；蚣?xì)胞。此外，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者Lihong Wang指出，光聲內(nèi)窺鏡可以受益于極小型的空心光束傳輸。
該研究團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以弄清3D激光直寫技術(shù)是否能用于建造一個(gè)微型相位掩模，以便將光纖輸出塑造成扭曲的光，這對(duì)量子糾纏和其他應(yīng)用有極為重要的意義。Giessen表示：“既然儀器可用了，限制我們的因素只剩下我們的思維，即如何想辦法利用該儀器。”
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