《Nature Communications》：使用3D納米打印優(yōu)化玻璃纖維，可校正光學(xué)像差

南極熊獲悉，來自韓國(guó)、澳大利亞、英國(guó)和德國(guó)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)  在萊布尼茨光子技術(shù)研究所 (Leibniz IPHT) 中首次利用3D打印優(yōu)化光學(xué)玻璃纖維，使得不同波長(zhǎng)的光可以非常精確地聚焦。這種精度水平是通過3D納米打印光學(xué)透鏡實(shí)現(xiàn)的，該光學(xué)透鏡可以應(yīng)用于光纖末端。這為顯微鏡和內(nèi)窺鏡以及激光治療和傳感器技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的可能性。



他們的研究?jī)?nèi)容已于2022年7月發(fā)表在了《Nature Communications》上，題目為《An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range》（《一種用于在整個(gè)電信范圍內(nèi)聚焦和成像的消色差超光纖》）。

研究背景
目前用于醫(yī)療診斷的內(nèi)窺鏡檢查的光纖端面的透鏡具有色差。這種光學(xué)成像誤差（由于不同波長(zhǎng)的光，即不同的光譜顏色，其形狀和折射不同）導(dǎo)致焦點(diǎn)偏移，從而導(dǎo)致在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)成像模糊。消色差透鏡可以最大限度地減少這些光學(xué)像差。

消色差透鏡，即所謂的超透鏡，它安裝在光纖的末端，可以通過景深成像對(duì)微小細(xì)節(jié)進(jìn)行聚焦和成像。萊布尼茨光纖光子學(xué)系主任 Markus Schmidt 教授解釋說：“為了實(shí)現(xiàn)理想的光整形和消色差聚焦，目前我們實(shí)現(xiàn)了一種基于聚合物的超薄透鏡，它由具有納米柱的復(fù)雜設(shè)計(jì)組成，由3D打印制作。該結(jié)構(gòu)可以直接安裝在商業(yè)光纖端面上。通過這種方式，可以對(duì)光纖進(jìn)行功能化處理，使光可以非常有效地聚焦在焦點(diǎn)上，并可以生成高分辨率的圖像。”


△用于消色差聚焦和成像的消色差超光纖的原理

研究成果
●此次研究人員使用3D打印優(yōu)化光學(xué)玻璃纖維。 通過3D納米打印制造可以安裝于光纖末端的光學(xué)透鏡。透鏡直徑為100微米，數(shù)值孔徑 (NA) 為 0.2，與以前在光纖端面使用的消色差透鏡相比，該值顯著提高，從而實(shí)現(xiàn)了更好的分辨率。

●該鏡頭可以校正光學(xué)像差，并且可以非常精確地聚焦紅外范圍內(nèi)光譜帶寬為 400 納米的光。單個(gè)納米柱具有不同的高度，從 8.5 到 13.5 微米不等，這使得不同波長(zhǎng)的光可以聚焦在一個(gè)焦點(diǎn)上。

研究過程
在實(shí)驗(yàn)研究中，研究人員能夠以基于光纖的共焦掃描成像證明已開發(fā)光纖的透鏡和聚焦效率，他們使用具有消色差超光學(xué)的光纖，該團(tuán)隊(duì)通過高圖像采集獲取了圖像質(zhì)量效率和不同波長(zhǎng)下的高圖像對(duì)比度。測(cè)試結(jié)果表明，即使在不同的波長(zhǎng)下，焦點(diǎn)位置也幾乎保持不變。


△三維納米打印消色差異向光纖的聚焦性能

研究展望
Markus Schmidt 教授指出，由于此次開發(fā)的納米結(jié)構(gòu)超透鏡非常小且扁平，這種頂部帶有消色差光學(xué)器件的光纖設(shè)計(jì)為進(jìn)一步推進(jìn)基于光纖技術(shù)的小型化和柔性內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)提供了潛力，并能夠?qū)崿F(xiàn)更溫和的微創(chuàng)檢查。除了這一主要應(yīng)用領(lǐng)域外，研究人員指出這種器件還能在激光輔助治療、光纖通信和光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31902-3