【全球时快讯】以色列3D激光打印出比头发丝直径还细的微型光学器件

以色列Soreq核研究中心近日完成的一项研究结果证明，3D激光打印可以直接在光纤末端制造高质量、复杂的聚合物光学器件。这种微型光学装置的细节比头发丝的直径还小，它可以提供一种非常紧凑和廉价的方式来为各种应用定制光束。

以色列索瑞克核研究中心（Soreq Nuclear Research Center in Israel）的研究团队负责人Shlomi Lightman表示：“通信技术、互联网和许多其他应用都是基于光纤的。当光从光纤中出来时，通常会使用大型光学元件将其传输到下一个位置。而我们的方法通过将布线过程集成到光纤本身，将这一过程的规模和成本最小化。”

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另外值得注意的是，整个微光学器件的制作过程花了仅仅不到5分钟。这种光纤加上微型光学装置的成本不到100美元，大约是具有类似功能的标准显微镜物镜成本的十分之一。

Shlomi Lightman表示：“直接从光纤产生贝塞尔光束的能力，可以用于粒子操作或光纤集成受激发射损耗（STED）显微镜，这是一种产生超分辨率图像的技术。我们的制造方法还可以通过在镜片上打印智能小结构，将廉价镜片升级为更高质量的智能镜片。”

为了制造这种微小的光学设备，研究人员使用了一种3D直接激光打印（3D direct laser printing）制造技术。它使用飞秒脉冲激光束在光敏光学材料中产生双光子吸收，接着只有发生双光子吸收的微小体积变为固体，这为创建高分辨率3D元素提供了一种方法。

虽然这种3D直接激光打印已经使用了一段时间，但在光纤尖端制造这样小的光学器件时，很难获得正确的比例并对准。于是，研究人员创建了一个光学测量系统来分析由制造的设备形成的光束的性能。其激光束衍射非常低，激光功率接近10 MW／cm²，但未损坏制备的微光学器件。

Shlomi Lightman指出：“在开始制造过程之前，我们通过进行高度精确的2D和3D模拟，克服了这一障碍。此外，我们必须仔细考虑如何将光学元件彼此集成，然后将其与光纤核心对齐。”

在经过基于模拟的精心规划后，研究人员使用了一种商用3D直接激光写入系统和一种高光学质量的光敏聚合物，在单模光纤的一端打印出110微米高、直径60微米的光学器件。该装置包括一个抛物面透镜用于光的准直和一个螺旋轴形透镜扭转光。这使得从纤维中出来的光变成了扭曲的贝塞尔光束。

为了分析制备的光学器件的质量，研究人员建立了一个光学测量系统来捕获从改性光纤传播的形状光束。他们在光束中观察到非常低的衍射，这意味着它可以用于STED显微镜和粒子操作等应用。

他们还发现，在破坏所制作的微光学器件之前，激光功率可以达到接近10 MW／cm²。这表明，尽管该装置是由聚合物制成的，聚合物比玻璃更容易受到高功率的热损伤，但它仍然可以用来产生相对较高的激光功率。

如今，研究人员已经证明，使用这种直接3D激光打印方法可以创建精确的多元素微光学元件。最近，他们正在试验使用混合光敏材料来进行实验，其中含有低比例的聚合物。据悉，与高分子材料相比，这些材料可以生产出质量更高、保质期更长、更能抵抗高功率激光的光学器件。

关键词： 3D打印