激光3D納米打印技術優(yōu)化光學玻璃纖維，精準聚焦光束

2022年10月31日，南極熊獲悉，來自韓國、澳大利亞、英國和德國的一個跨學科研究小組，在萊布尼茲光電技術研究所（Leibniz IPHT）的參與下，首次對光學玻璃纖維進行了優(yōu)化，使不同波長的光線能夠極其精確地聚焦。

△位于3D打印空心塔頂部的消色差透鏡，通過激光3D納米打印與單模光纖連接

這一高精度光學透鏡是利用激光3D納米打印技術實現(xiàn)的，透鏡被應用于光纖的末端。該技術為顯微鏡和內(nèi)窺鏡、以及激光治療和傳感器技術提供了新的應用前景。

△玻璃基板上消色差超透鏡和彩色超透鏡的實驗表征和比較

技術背景
目前用于醫(yī)療診斷的內(nèi)窺鏡，通常存在光纖端面透鏡有色差的缺點。這種光學成像誤差（由不同波長的光，即不同光譜顏色的光的形狀和折射不同而引起）導致焦點偏移，從而在波長范圍較廣的成像中造成模糊。

科學家們發(fā)現(xiàn)，消色差透鏡可以使這些光學像差最小化，為解決這一問題提供了一個解決方案。

這種消色差透鏡，也就是所謂的超透鏡，它被安裝在光纖的末端，可以通過景深成像對微小細節(jié)進行聚焦和成像，現(xiàn)在已經(jīng)由國際團隊利用3D打印技術首次實現(xiàn)。

△消色差超纖維的成像性能

消色差超纖維成像
萊布尼茲光電技術研究所，光纖光子學系主任Markus Schmidt教授解釋說：“為了實現(xiàn)理想的光塑造和消色差聚焦，我們實現(xiàn)了一個基于聚合物的超薄透鏡，它由納米柱形式的幾何結(jié)構(gòu)的復雜設計組成。這種結(jié)構(gòu)被直接3D打印在商業(yè)光纖端面的一個空心塔結(jié)構(gòu)的頂端上。通過這種方式，可以對光纖進行功能化，使光可以非常有效地聚焦在焦點上，并可以生成高分辨率的圖像�！�

超薄透鏡的透鏡直徑為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，從而實現(xiàn)了更好的分辨率。該鏡頭可以校正光學像差，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。

△Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D 打印機

利用激光3D納米打印技術
通過緊密聚焦的飛秒激光束進行2PP雙光子聚合技術，實現(xiàn)了基于聚合物的消色差超透鏡。據(jù)悉，該團隊采用Nanoscribe開發(fā)的微納米3D打印設備Photonic Professional GT來完成的
聚合物超表面樣品首先在 IP-L 780 光刻膠樹脂 (Nanoscribe GmbH) 的二氧化硅基板上，通過浸入式配置中的高數(shù)值孔徑物鏡 (Plan-Apochromat 63x/1.40 Oil DIC, Zeiss) 制造。激光功率和掃描速度的優(yōu)化打印參數(shù)分別為47.5 mW和7000 μm/s。

激光曝光后，樣品在丙二醇單甲醚醋酸酯（PGMEA，Sigma-Aldrich）中浸泡20分鐘，在異丙醇（IPA，Sigma-Aldrich）中浸泡5分鐘，在甲氧基非氟丁烷（Novec 7100工程液，3M）中浸泡2分鐘。最后，將制作好的樣品在空氣中蒸發(fā)干燥。

△該團隊的研究成果已發(fā)表在《自然通信》雜志上，研究題目為“用于在整個電信范圍內(nèi)聚焦和成像的消色差超光纖”（傳送門）

研究成果和應用前景
在實驗研究中，研究人員能夠以基于光纖的共焦掃描成像為例，證明已開發(fā)光纖的透鏡和聚焦效率。使用具有消色差超光學的光纖，該團隊通過高圖像采集實現(xiàn)了令人信服的圖像質(zhì)量效率和不同波長下的高圖像對比度。即使在不同的波長下，焦點位置也幾乎保持不變。

Markus Schmidt教授介紹該研究的潛在應用前景：“由于開發(fā)的納米結(jié)構(gòu)超透鏡非常小且扁平，頂部帶有消色差光學器件的光纖設計方案，因此，進一步推進基于光纖技術的小型化和柔性內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的潛力，并實現(xiàn)更溫和的微創(chuàng)檢查�！背�了這一主要應用領域外，研究人員還在激光輔助治療和手術、光纖通信和光纖傳感器技術領域看到了更多應用前景。