近日，來自德國斯圖加特大學（University of Stuttgart）的研究人員以前所未有的性能和可重復性展示了一種微米尺度的光學3D打印技術——飛秒激光寫入（femtosecond laser writing）。據悉，他們的這一技術可以在微米或者更小的尺度上創建幾乎任何類型的集成光學元件，可以幫助 實現儀器設備的小型化，并使其用于傳感或者電信方面的應用。
在光學學會（Optical Society）旗下的研究雜志《Optica》中，研究人員報告稱他們使用這種技術在一根只有125微米直徑（相當于人類的頭發直徑）的光纖中心直接制造了一個只有4.4微米小的光學元件。
“雖然飛秒激光寫入技術目前還只在實驗室里得到了驗證，但是我們已經表明，它可以以一種高度可重復而且可靠的方式制造高性能的微型光學器件。”該項目的負責人Harald Giessen教授稱：“我們相信我們的方法可以擴展至批量生產，用于在小尺度上直接打印任何類型的光學元器件，從而為集成微米或者納米光學開辟了一個新時代。”
據了解，這種飛秒激光寫入技術主要使用一種波長非常短的激光選擇性地硬化光敏材料。該材料只在激光聚集的一個很小的3D區域里硬化，而未硬化的材料隨后會被沖走，留下創建好的3D結構。
盡管在世界各地有許多實驗室都有自己的3D激光寫入系統，但是這些家庭自制的系統往往對環境條件和激光源的變動比較敏感，因此不能可靠地創建高質量的微型光學器件。為了克服這些問題，研究人員們使用了市場上的一款雙光子3D激光光刻系統。該系統是由Nanoscribe公司開發的，可以用來創建納米級的結構，十分穩定、可靠。
“簡單地說，我們有個東西像筆一樣，可以在某種材料里以3D的方式移動并創建結構，它的制造方式很像一臺3D打印機，只不過是在非常微小的尺度上。”Giessen解釋說：“而且它的可重復性也很好，如果你向不同的系統輸入同一組參數，得到的結果會完全相同，甚至在一個月后輸入，它的結果也會完全相同。”
那么這種技術目前有什么具體應用呢？研究人員介紹稱它可以用來創建光纖末端相位掩模板。通常情況下，光離開光纖末端的時候是服從高斯分布的，也就是說，它中間亮邊緣暗。而研究人員可以借助相位掩模使其亮度均勻分布，或者形成特定的形狀。
“由于該相位掩模是如此之小，而且又是在光纖端面上直接創建，因此稍有一點偏差機會使產生的形狀出現偏差。”Giessen稱：“我們解決了最困難的問題之一︰可重復地將一個亞微米級精度的相位掩模直接放置在了單模光纖的中心。”
實際上，采用激光直寫的方法可以有多種方式創建光學元件。而研究人員們發現，無論是從中心開始一環一環地創建相位掩模還是從底部直接逐層創建，都能夠生成高質量結構。
據悉，由研究人員創建的相位掩膜有許多潛在的應用。比如，可以用于很小的內窺鏡的照明、產生環狀的光并投放在一種液體中作為光陷阱來捕獲粒子或者細胞等，Lihong Wang稱，他是這項技術的發明者。
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