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June 10, 2021

三维梯度折射微纳光学激光直写

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科学家们做到了真正地跳出思维局限,采取从内打印的方式,也就是在纳米多孔硅和二氧化硅基板内进行打印,并以这种方式发明了第一个三维梯度折射率(gradient refractive index, GRIN) 制造工艺,该工艺可实现亚微米级的空间和折射率分辨率。该新发明使得3D 微纳加工不仅能够塑造光学元件的形状,还能够调整材料特性,即光学折射率。这种新的制造方法为3D波导和无色差透镜等众多应用奠定了基础。

龙勃透镜模型
龙勃透镜(Luneburg Lens)模型(左)和测量荧光强度打印版本的扫描图(右)。Nanoscribe公司客户进行了令人印象深刻的演示,诠释了3D微纳加工是如果实现梯度折射率材料制作的。图片来自C. R. Ocier and C. A. Richards, University of Illinois Urbana-Champaign

梯度折射率光学(GRIN)光束没有沿直线传播,相反,因为材料内部折射率逐渐变化的因素而遵循弯曲的路径。例如人类眼睛晶状体就是典型梯度折射率变化的,即其折射率从晶状体表面到其核心呈逐渐增加。这种梯度使我们的眼睛能够校正色差,并在短距离和长距离上获得高分辨率图像信息。在技术领域,GRIN透镜也有举足轻重的作用,尤其是对于微型化光学系统。例如平面 GRIN 透镜适合直接用于技术系统(例如在光纤顶部)或集成到折射透镜中以进行像差校正的高分辨率成像。

双光子聚合应用于三维梯度折射率透镜

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科学家们最近开发了一种新的基于双光子聚合 (2PP) 的 GRIN 光学微纳制造工艺。这种新的制造技术实现了简单一步操作即可同时控制几何形状和折射率来打印自由曲面光学元件。凭借这种全新的制造工艺,科学家们完成了令人印象深刻的展示制作,打印了世界上最小的可聚焦可见光的龙勃透镜(Luneburg lens)。相似于人类眼睛晶状体的梯度,这种球面晶状体的折射率向中心逐渐增加,使其具有独特的聚光特性。

SCRIBE –通过激光束曝光控制的亚表面折射率

Nanoscribe的Photonic Professional设备可用于将不同折射率的龙勃透镜和其他自由形状的光学组件打印于微孔支架材料上(例如孔状硅材及二氧化硅)。突出特点是不再像常规的双光子聚合(2PP)那样在基体表面进行直写,而是在孔型支架内。通过调整直写激光的曝光参数可以改变微孔支架内材料的聚合量,从而影响打印材料的有效折射率。采用全新SCRIBE技术(通过激光束曝光控制的亚表面折射率)可以在保证亚微米级别的空间分辨率同时,对折射率的调节范围甚至可史无前例地超过0.3。

从无像差成像到高速通信应用

为了证明SCRIBE新技术的巨大潜力,科研人员打印了众多令人瞩目的光学组件,例如已经提到的龙勃透镜。此外科研人员还打印了消色差双合透镜(如图示)。通过色散透镜聚焦的光因波长不同焦点位置也不尽相同。通过组合不同折射率的透镜可帮助降低透镜的色差。在给出的例子中,成像中的荧光强度和折射率高度相关,同时将打印的双透镜中的每个单独透镜可视化。
SCRIBE技术不仅在微型化光学透镜方面具有巨大的潜力,同时在制造3D光波导和集成光学原件方面有突出的应用前景。据科研人员透露,这项技术的发展能为光学计算上的数据传输指明前进探索的道路。

全新光刻胶为未来应用应运而生

为了进一步提升技术先进性,科研人员又在新材料研发的过程中发现了巨大的潜力。一方面,利用SCRIBE新技术的情况下,高折射率的光刻胶可进一步拓展对打印结构的光学性能的调节度。另一方面,低自发荧光的可打印材料非常适用于生物成像领域。Nanoscribe公司的IP系列光刻胶,例如具有高折射率的IP-n162和具有生物相容性和低自发荧光的IP-Visio已经为接下来的研究提供了进一步的可能。

阅读相关科学出版物,了解更多详细内容Direct laser writing of volumetric gradient index lenses and waveguides

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