激光3D納米打印技術(shù)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(shù)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(shù)實現(xiàn)的，透鏡被應用于光纖的末端,。該技術(shù)為顯微鏡和內(nèi)窺鏡,、以及激光治療和傳感器技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)
通過緊密聚焦的飛秒激光束進行2PP雙光子聚合技術(shù),，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(shù)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(lǐng)域外，研究人員還在激光輔助治療和手術(shù),、光纖通信和光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域看到了更多應用前景,。