《Nature》子刊：3D打印鏡頭可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光譜分析

2020年5月15日,，南極熊從外媒獲悉,，波蘭華沙大學(xué)的研究人員利用激光直接書(shū)寫(xiě)（DLW）3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出了微米大小的鏡片,。這種3D打印的透鏡可以在各種材料上制作,，包括易碎的石墨烯類(lèi)材料。

物理系的研究團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō),，這種透鏡可以取代之前需要的笨重的顯微鏡物鏡，而這些物鏡是執(zhí)行單個(gè)納米大小的發(fā)光體（如量子點(diǎn)或原子薄的2D材料）的光譜測(cè)量所需的,。

此外,，這些笨重的顯微鏡必須放置在離待分析樣品約十分之一英寸的距離，這可能會(huì)對(duì)許多類(lèi)型的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)造成限制,。研究人員表示,，使用3D打印的鏡頭，可以將鏡頭正面與樣品表面之間的工作距離增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,。這有可能為大類(lèi)光學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了新的前景,。

△3D打印的非球面微透鏡的掃描電子顯微鏡圖像，照片來(lái)自華沙大學(xué)

用3D打印技術(shù)生產(chǎn)微透鏡

研究人員通過(guò)解釋說(shuō),，商業(yè)化的3D打印機(jī)一直在經(jīng)歷著快速發(fā)展,，這與它的兼容材料，包括高光學(xué)質(zhì)量的透明介質(zhì)在內(nèi)的兼容材料相吻合,。研究人員表示,，3D打印技術(shù)與此類(lèi)材料并駕齊驅(qū)，為生物,、醫(yī)學(xué),、超材料研究、機(jī)器人技術(shù)和微光學(xué)等諸多科技領(lǐng)域開(kāi)辟了新的可能性,。

在展示其在光的提取和傳遞方面的應(yīng)用時(shí),，論文的作者解釋說(shuō)，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了高效的橢圓微透鏡,，可以在發(fā)光體的頂部3D打印,。這些透鏡被作者們描述為 "簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效,、寬頻,、通用性強(qiáng)，并且與其他廣泛需要的微光學(xué)系統(tǒng)的組件兼容",，同時(shí)還可以在沒(méi)有高數(shù)值孔徑光學(xué)器件的情況下運(yùn)行,。

為了制造這種可以在各種樣品上制造的透鏡，該團(tuán)隊(duì)選擇了使用DLW 3D打印工藝，論文中稱(chēng)其為 "一種能夠打印幾乎任何形狀的透鏡的多功能技術(shù)",。DLW也被稱(chēng)為雙光子3D光刻技術(shù),，這是一種能夠生產(chǎn)任意3D納米結(jié)構(gòu)的工藝。

這樣的技術(shù)由德國(guó)雙光子快速成型制造系統(tǒng)制造商N(yùn)anoscribe公司提供,。去年,，該公司推出了Quantum X系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)用于制造納米尺寸的折射和衍射微光器件,，其尺寸可以小到200微米,。

2019年底，來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和香港中文大學(xué)的研究人員在雙光子快速成型制造方面取得了突破性進(jìn)展,，在限制分辨率犧牲的同時(shí),，加快了該技術(shù)的制造速度。

Quantum X系統(tǒng)上3D打印的微透鏡陣列,，圖片來(lái)源：Nanoscribe,。

超長(zhǎng)工作距離光譜學(xué)的優(yōu)勢(shì)

作者提出的3D打印透鏡的一個(gè)關(guān)鍵屬性是，它能夠增加對(duì)半導(dǎo)體樣品發(fā)出的光的提取,，并將其發(fā)出的部分重塑成超窄光束,。由于這一特性，研究人員解釋說(shuō),，這種透鏡可以幫助消除執(zhí)行單點(diǎn)狀發(fā)光體的光學(xué)測(cè)量所需的笨重的顯微鏡,。該論文作者表示，3D打印的微透鏡還可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)工作距離的光學(xué)測(cè)量（1英寸的采集透鏡可以達(dá)到600毫米）,，這是迄今為止其他分光鏡技術(shù)無(wú)法達(dá)到的,。

通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)的分光顯微鏡測(cè)量的尺寸大致為手掌大小,，重達(dá)一磅（半公斤）,，而且必須放置在與樣品的距離非常小的地方。當(dāng)試圖在脈沖高磁場(chǎng),、低溫或微波腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí),，這可能會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，另一方面,，研究團(tuán)隊(duì)提出的3D打印鏡頭可以很容易地將其抬起來(lái),。

此外，DLW 3D打印工藝的高速能力意味著可以在一個(gè)樣品上制作出數(shù)百個(gè)微型透鏡,，這有助于實(shí)現(xiàn)更多的時(shí)間效率研究和假設(shè)測(cè)試,。"將它們排列成規(guī)則的陣列提供了一個(gè)方便的坐標(biāo)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地指定所選納米物體的位置,，并允許在全球不同的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行多次測(cè)量,。"研究人員解釋說(shuō),。

該研究論文《Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses》發(fā)表在《 Light: Science & Applications》雜志上，由Bogucki, A., Zinkiewicz, Ł., Grzeszczyk, M.等人撰寫(xiě),。

編譯自：3dprintingindustry