科学家开发出可打印高质量微型光学器件的3D激光写入技术

近日,来自德国斯图加特大学(University of Stuttgart)的研究人员以前所未有的性能和可重复性展示了一种微米尺度的光学3D打印技术——飞秒激光写入(femtosecond laser writing)。据悉,他们的这一技术可以在微米或者更小的尺度上创建几乎任何类型的集成光学元件,可以帮助 实现仪器设备的小型化,并使其用于传感或者电信方面的应用。

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在光学学会(Optical Society)旗下的研究杂志《Optica》中,研究人员报告称他们使用这种技术在一根只有125微米直径(相当于人类的头发直径)的光纤中心直接制造了一个只有4.4微米小的光学元件。

“虽然飞秒激光写入技术目前还只在实验室里得到了验证,但是我们已经表明,它可以以一种高度可重复而且可靠的方式制造高性能的微型光学器件。”该项目的负责人Harald Giessen教授称:“我们相信我们的方法可以扩展至批量生产,用于在小尺度上直接打印任何类型的光学元器件,从而为集成微米或者纳米光学开辟了一个新时代。”

据了解,这种飞秒激光写入技术主要使用一种波长非常短的激光选择性地硬化光敏材料。该材料只在激光聚集的一个很小的3D区域里硬化,而未硬化的材料随后会被冲走,留下创建好的3D结构。

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尽管在世界各地有许多实验室都有自己的3D激光写入系统,但是这些家庭自制的系统往往对环境条件和激光源的变动比较敏感,因此不能可靠地创建高质量的微型光学器件。为了克服这些问题,研究人员们使用了市场上的一款双光子3D激光光刻系统。该系统是由Nanoscribe公司开发的,可以用来创建纳米级的结构,十分稳定、可靠。

“简单地说,我们有个东西像笔一样,可以在某种材料里以3D的方式移动并创建结构,它的制造方式很像一台3D打印机,只不过是在非常微小的尺度上。”Giessen解释说:“而且它的可重复性也很好,如果你向不同的系统输入同一组参数,得到的结果会完全相同,甚至在一个月后输入,它的结果也会完全相同。”

那么这种技术目前有什么具体应用呢?研究人员介绍称它可以用来创建光纤末端相位掩模板。通常情况下,光离开光纤末端的时候是服从高斯分布的,也就是说,它中间亮边缘暗。而研究人员可以借助相位掩模使其亮度均匀分布,或者形成特定的形状。

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“由于该相位掩模是如此之小,而且又是在光纤端面上直接创建,因此稍有一点偏差机会使产生的形状出现偏差。”Giessen称:“我们解决了最困难的问题之一︰可重复地将一个亚微米级精度的相位掩模直接放置在了单模光纤的中心。”

实际上,采用激光直写的方法可以有多种方式创建光学元件。而研究人员们发现,无论是从中心开始一环一环地创建相位掩模还是从底部直接逐层创建,都能够生成高质量结构。

据悉,由研究人员创建的相位掩膜有许多潜在的应用。比如,可以用于很小的内窥镜的照明、产生环状的光并投放在一种液体中作为光陷阱来捕获粒子或者细胞等,Lihong Wang称,他是这项技术的发明者。

文章来源:互联网采集

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