斯圖加特大學：保形低溫熱原子層沉積（ALD）為3D打印鏡片提供抗反射涂層

導讀：3D打印微型光學器件已成為制造亞毫米級光學器件的一種極為強大的制造方法。在光學系統(tǒng)中，每次光通過透鏡-空氣邊界時，都會因反射而損失少量光能。這種現(xiàn)象在多鏡頭系統(tǒng)中尤為明顯，因為損耗會迅速增加，因此如果我們想保持圖像質量，防反射涂層是必不可少的。3D打印的復雜微觀光學系統(tǒng)是通過一次打印成型的，而不是制造幾個零件然后被組裝起來的。這就無法用傳統(tǒng)的涂層方法，如濺射或定向等離子體蝕刻，對各個鏡片進行防反射涂層，因為以上這些定向涂層無法直接到達各個鏡片之間的空隙。那么如何為3D打印的光學系統(tǒng)進行防反射涂層呢？

2022年4月，南極熊獲悉，斯圖加特大學的研究者們在《Optical Materials Express》上發(fā)表了一項題為《Atomic layer deposition of conformalanti-reflective coatings on complex 3D printed micro-optical systems》（《復雜的3D打印微觀光學系統(tǒng)上的共形抗反射涂層的原子層沉積》）的研究。研究人員通過保形低溫熱原子層沉積（ALD）方法來解決了上述問題，讓我們看看他們具體的研究內(nèi)容吧！



雙光子聚合中使用的樹脂通常在高達 200°C 的溫度下保持穩(wěn)定，因此該團隊試圖開發(fā)一種僅在 150°C 下工作的 ALD 技術。研究通過原子層沉積（ALD），使用PICOSUN R-200高級系統(tǒng)在3D打印的光學系統(tǒng)上形成防反射涂層。他們設計的抗反射 (AR)涂層由四層交替的二氧化鈦（TiO2）和二氧化硅（SiO2）組成。涂層厚度（17 nm TiO2, 44 nm SiO2, 27 nm TiO2, 109 nm SiO2）必須精確調(diào)整到設計值，以確保反射率達到要求。該涂層是用軟件工具Essential Macleod設計和優(yōu)化的，中心波長為550納米，垂直入射。通常情況下，4%的入射光線在每個界面上被反射，8%的光由于反射而損失。AR涂層可以將可見光波段的主要部分的總反射損失降低到<1%。


（a)AR鍍膜設計 (b) 通過無涂層和AR涂層透鏡的說明 (c) 有涂層的硅參考晶片的劈裂面的掃描電子顯微鏡圖像(d) 原子層沉積

低溫 ALD 技術
低溫 ALD 技術的工作原理是將 3D 打印部件暴露在含有分子前體的氣體中，從而形成抗反射涂層。由于氣體分子可以自由移動和擴散，它們可以滲入復雜結構的空腔和懸垂部分，成功地形成均勻的薄涂層。通過改變前體氣體和沉積額外的層，可以微調(diào)涂層的厚度、折射特性和反射特性，以創(chuàng)建定制的 3D 打印鏡片。該團隊使用一組3D打印在的微型鏡頭樣品測試了他們的ALD涂層方法。結果表明，涂​​層能夠起到作用，將平面基底在可見波長下的寬帶反射率降低到1% 以下。



△平面基底上的AR涂層。(a) 無涂層的玻璃基底和有一個和兩個AR涂層表面的基底的反射率測量。(b) 有涂層和無涂層的3D打印平面結構的反射率。

測試
研究人員對不同的3D打印測試結構進行了透射測量。他們發(fā)現(xiàn)，通過AR涂層，六個界面的透射率從74%～90%提高到90%。


△透射測試樣品。(a) 整體厚度相同的3D打印聚合物塊組。右下角為樣品在525納米處的透射光圖像。(b)和(c)在525納米處通過不同數(shù)量的無涂層和有AR涂層的聚合物塊的歸一化傳輸。X軸為沿聚合物塊的最長邊緣。(d)AR涂層和未涂層的聚合物塊的平均傳輸。

最后研究人員將我們將AR涂層與雙透鏡成像設計相結合，進行分辨率測試，結果表明，與無涂層的透鏡相比，其整體強度增加了20%。


△雙透鏡成像系統(tǒng)和分辨率測試結果


△帶有和不帶有抗反射涂層的3D打印微透鏡

展望未來，研究人員相信他們還可以調(diào)整工藝，將其他薄膜（如彩色濾光片）直接沉積到 3D 打印微透鏡上。該論文的第一作者 Simon Ristok 指出，這首次將 ALD 應用于制造 3D 打印復雜微光學器件的抗反射涂層的研究，這種方法可用于制造新型極薄的內(nèi)窺鏡設備，它還可用于制造用于自動駕駛汽車的微型傳感器系統(tǒng)或用于增強/虛擬現(xiàn)實設備（如護目鏡）的高質量微型光學器件。


原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OME.454475