研究人員展示了3D打印微米級光學元件的過程，該技術的性能和重復性都是前所未有的。他們的方法可用于在微米級或更小尺度上建造幾乎所有類型的集成光學元件，這有助于使從傳感到電信領域所使用的儀器和設備小型化。
在光學學會的高影響力研究型期刊《Optica》中，研究人員報道了在直徑僅125微米的光纖的正中心位置上直接制造小到4.4微米的光學元件的過程，該光纖的直徑僅比人頭發絲的直徑略厚。他們用一種被稱為飛秒激光直寫的技術來完成這一艱難的壯舉，并表明光學元件的性能密切匹配模擬結果。
德國斯圖加特大學超快納米光學領域的主席，領導該研究團隊的Harald Giessen指出：“雖然飛秒激光直寫技術已在實驗室中得到驗證，但我們展示了該技術能夠用于以一種高度可重復和可靠的方式制作高性能微光學元件。我們認為該方法能夠被擴展，以進行批量制造并用于在微小尺度上直接打印幾乎所有類型的光學元件，開啟了集成微光學和納米光學的新時代。”
用光進行直寫
飛秒激光直寫技術用激光器發射脈沖很短的光，以選擇性地硬化光敏材料。材料硬化只發生在激光器光線聚焦的小三維區域內，然后將所有未硬化的材料沖走，露出已建造好的3D結構。
雖然全世界的許多實驗室都制作出其自己的3D激光直寫系統，但這些自制系統對環境條件和激光器功率的差異非常敏感，從而不能可靠地制造高質量微光學元件。為了克服這些問題，研究人員用一種已設計出的市售雙光子3D激光光刻系統來直寫納米尺寸結構。該系統由Nanoscribe有限公司制造，專為穩定性、可靠性和質量而設計的。
Giessen解釋道：“我們有一種類似于一支筆的東西，讓我們能夠透過材料進行3D移動，以類似于3D打印機但尺度又非常小的方式生成結構。如果你將一組參數導入到我們的系統和世界上其他地方的系統中，你將得到完全相同的結果。即使在今后的幾個月進行這種對比，每次產生的結果還是相同的。”
建造相位掩模
研究人員用3D激光直寫系統建造名為相位掩模的光學元件，相位掩模提供一種簡潔的方法，可在不使用大而笨重的透鏡的情況下對從光纖末端出來的光進行塑形。
通常情況下，離開光纖末端的光屬于高斯型的，這意味著它中間部分亮，并向邊緣部分變暗。研究人員直接在光纖的末端上建造相位掩模，將光塑造為平頂輪廓，使整個照明區域的亮度相同，或者塑造為甜甜圈形狀，以被明亮光環包圍著的中空部分為特色。
Giessen指出：“由于相位掩模非常小且直接建造在光纖的末端上，即使是相位掩模中心位置的細微誤差也會導致甜甜圈形光束不好看且不圓。我們解決了最困難的問題之一：直接在單模光纖的中心以亞微米精度反復植入相位掩模。”
直接激光直寫方法可用于以多種方式建造光學元件。研究人員發現，從中心位置開始一環接一環地建造相位掩模，或者從底部開始一層接一層地建造相位掩模，都能生成高質量的結構。
文章的第一作者，斯圖加特大學的Timo Gissibl指出：“根據你所選擇的直寫方式，你可能獲得不同的光學特性，此外，你能夠以什么樣的速度直寫和以多快的速度制造光學元件很大程度上取決于你的直寫模式。”
研究人員建造的相位掩模有多種潛在用途。通過取代大型光學鏡頭，頂環掩模能夠以更小的內窺鏡形式實現照明，它可以用于在諸如結腸鏡檢查等非侵入手術或過程期間進行體內觀察。例如，生成甜甜圈形狀光的帶有相位掩模的光纖可以直接放入液體中并用于光學捕獲顆粒或細胞。此外，這項技術的發明者Lihong Wang指出，光聲內窺鏡可以受益于極小型的空心光束傳輸。
該研究團隊目前正在進行實驗，以弄清3D激光直寫技術是否能用于建造一個微型相位掩模，以便將光纖輸出塑造成扭曲的光，這對量子糾纏和其他應用有極為重要的意義。Giessen表示：“既然儀器可用了，限制我們的因素只剩下我們的思維，即如何想辦法利用該儀器。”
在光學學會的高影響力研究型期刊《Optica》中，研究人員報道了在直徑僅125微米的光纖的正中心位置上直接制造小到4.4微米的光學元件的過程，該光纖的直徑僅比人頭發絲的直徑略厚。他們用一種被稱為飛秒激光直寫的技術來完成這一艱難的壯舉，并表明光學元件的性能密切匹配模擬結果。
德國斯圖加特大學超快納米光學領域的主席，領導該研究團隊的Harald Giessen指出：“雖然飛秒激光直寫技術已在實驗室中得到驗證，但我們展示了該技術能夠用于以一種高度可重復和可靠的方式制作高性能微光學元件。我們認為該方法能夠被擴展，以進行批量制造并用于在微小尺度上直接打印幾乎所有類型的光學元件，開啟了集成微光學和納米光學的新時代。”
用光進行直寫
飛秒激光直寫技術用激光器發射脈沖很短的光，以選擇性地硬化光敏材料。材料硬化只發生在激光器光線聚焦的小三維區域內，然后將所有未硬化的材料沖走，露出已建造好的3D結構。
雖然全世界的許多實驗室都制作出其自己的3D激光直寫系統，但這些自制系統對環境條件和激光器功率的差異非常敏感，從而不能可靠地制造高質量微光學元件。為了克服這些問題，研究人員用一種已設計出的市售雙光子3D激光光刻系統來直寫納米尺寸結構。該系統由Nanoscribe有限公司制造，專為穩定性、可靠性和質量而設計的。
Giessen解釋道：“我們有一種類似于一支筆的東西，讓我們能夠透過材料進行3D移動，以類似于3D打印機但尺度又非常小的方式生成結構。如果你將一組參數導入到我們的系統和世界上其他地方的系統中，你將得到完全相同的結果。即使在今后的幾個月進行這種對比，每次產生的結果還是相同的。”
建造相位掩模
研究人員用3D激光直寫系統建造名為相位掩模的光學元件，相位掩模提供一種簡潔的方法，可在不使用大而笨重的透鏡的情況下對從光纖末端出來的光進行塑形。
通常情況下，離開光纖末端的光屬于高斯型的，這意味著它中間部分亮，并向邊緣部分變暗。研究人員直接在光纖的末端上建造相位掩模，將光塑造為平頂輪廓，使整個照明區域的亮度相同，或者塑造為甜甜圈形狀，以被明亮光環包圍著的中空部分為特色。
Giessen指出：“由于相位掩模非常小且直接建造在光纖的末端上，即使是相位掩模中心位置的細微誤差也會導致甜甜圈形光束不好看且不圓。我們解決了最困難的問題之一：直接在單模光纖的中心以亞微米精度反復植入相位掩模。”
直接激光直寫方法可用于以多種方式建造光學元件。研究人員發現，從中心位置開始一環接一環地建造相位掩模，或者從底部開始一層接一層地建造相位掩模，都能生成高質量的結構。
文章的第一作者，斯圖加特大學的Timo Gissibl指出：“根據你所選擇的直寫方式，你可能獲得不同的光學特性，此外，你能夠以什么樣的速度直寫和以多快的速度制造光學元件很大程度上取決于你的直寫模式。”
研究人員建造的相位掩模有多種潛在用途。通過取代大型光學鏡頭，頂環掩模能夠以更小的內窺鏡形式實現照明，它可以用于在諸如結腸鏡檢查等非侵入手術或過程期間進行體內觀察。例如，生成甜甜圈形狀光的帶有相位掩模的光纖可以直接放入液體中并用于光學捕獲顆粒或細胞。此外，這項技術的發明者Lihong Wang指出，光聲內窺鏡可以受益于極小型的空心光束傳輸。
該研究團隊目前正在進行實驗，以弄清3D激光直寫技術是否能用于建造一個微型相位掩模，以便將光纖輸出塑造成扭曲的光，這對量子糾纏和其他應用有極為重要的意義。Giessen表示：“既然儀器可用了，限制我們的因素只剩下我們的思維，即如何想辦法利用該儀器。”
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