《Nature》子刊：3D打印鏡頭可實現(xiàn)超遠距離光譜分析

2020年5月15日，南極熊從外媒獲悉，波蘭華沙大學的研究人員利用激光直接書寫（DLW）3D打印技術設計出了微米大小的鏡片。這種3D打印的透鏡可以在各種材料上制作，包括易碎的石墨烯類材料。

物理系的研究團隊解釋說，這種透鏡可以取代之前需要的笨重的顯微鏡物鏡，而這些物鏡是執(zhí)行單個納米大小的發(fā)光體（如量子點或原子薄的2D材料）的光譜測量所需的。

此外，這些笨重的顯微鏡必須放置在離待分析樣品約十分之一英寸的距離，這可能會對許多類型的現(xiàn)代實驗造成限制。研究人員表示，使用3D打印的鏡頭，可以將鏡頭正面與樣品表面之間的工作距離增加了兩個數(shù)量級以上。這有可能為大類光學實驗開辟了新的前景。

△3D打印的非球面微透鏡的掃描電子顯微鏡圖像，照片來自華沙大學

用3D打印技術生產(chǎn)微透鏡

研究人員通過解釋說，商業(yè)化的3D打印機一直在經(jīng)歷著快速發(fā)展，這與它的兼容材料，包括高光學質(zhì)量的透明介質(zhì)在內(nèi)的兼容材料相吻合。研究人員表示，3D打印技術與此類材料并駕齊驅(qū)，為生物、醫(yī)學、超材料研究、機器人技術和微光學等諸多科技領域開辟了新的可能性。

在展示其在光的提取和傳遞方面的應用時，論文的作者解釋說，他們已經(jīng)開發(fā)出了高效的橢圓微透鏡，可以在發(fā)光體的頂部3D打印。這些透鏡被作者們描述為 "簡單、經(jīng)濟有效、寬頻、通用性強，并且與其他廣泛需要的微光學系統(tǒng)的組件兼容"，同時還可以在沒有高數(shù)值孔徑光學器件的情況下運行。

為了制造這種可以在各種樣品上制造的透鏡，該團隊選擇了使用DLW 3D打印工藝，論文中稱其為 "一種能夠打印幾乎任何形狀的透鏡的多功能技術"。DLW也被稱為雙光子3D光刻技術，這是一種能夠生產(chǎn)任意3D納米結構的工藝。

這樣的技術由德國雙光子快速成型制造系統(tǒng)制造商Nanoscribe公司提供。去年，該公司推出了Quantum X系統(tǒng)，專門用于制造納米尺寸的折射和衍射微光器件，其尺寸可以小到200微米。

2019年底，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和香港中文大學的研究人員在雙光子快速成型制造方面取得了突破性進展，在限制分辨率犧牲的同時，加快了該技術的制造速度。

Quantum X系統(tǒng)上3D打印的微透鏡陣列，圖片來源：Nanoscribe。

超長工作距離光譜學的優(yōu)勢

作者提出的3D打印透鏡的一個關鍵屬性是，它能夠增加對半導體樣品發(fā)出的光的提取，并將其發(fā)出的部分重塑成超窄光束。由于這一特性，研究人員解釋說，這種透鏡可以幫助消除執(zhí)行單點狀發(fā)光體的光學測量所需的笨重的顯微鏡。該論文作者表示，3D打印的微透鏡還可以實現(xiàn)長工作距離的光學測量（1英寸的采集透鏡可以達到600毫米），這是迄今為止其他分光鏡技術無法達到的。

通常情況下，標準的分光顯微鏡測量的尺寸大致為手掌大小，重達一磅（半公斤），而且必須放置在與樣品的距離非常小的地方。當試圖在脈沖高磁場、低溫或微波腔內(nèi)進行測量時，這可能會帶來一些問題，另一方面，研究團隊提出的3D打印鏡頭可以很容易地將其抬起來。

此外，DLW 3D打印工藝的高速能力意味著可以在一個樣品上制作出數(shù)百個微型透鏡，這有助于實現(xiàn)更多的時間效率研究和假設測試。"將它們排列成規(guī)則的陣列提供了一個方便的坐標系統(tǒng)，可以準確地指定所選納米物體的位置，并允許在全球不同的實驗室中進行多次測量。"研究人員解釋說。

該研究論文《Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses》發(fā)表在《 Light: Science & Applications》雜志上，由Bogucki, A., Zinkiewicz, Ł., Grzeszczyk, M.等人撰寫。

編譯自：3dprintingindustry