三维激光直写打印技术生成高质量的微光学元件

      三维激光直写打印技术生成高质量的微光学元件。研究人员展示了3D打印微米级光学元件的过程，该技术的性能和重复性都是前所未有的。他们的方法可用于在微米级或更小尺度上建造几乎所有类型的集成光学元件，这有助于使从传感到电信领域所使用的仪器和设备小型化。

　　在光学学会的高影响力研究型期刊《Optica》中，研究人员报道了在直径仅125微米的光纤的正中心位置上直接制造小到4.4微米的光学元件的过程，该光纤的直径仅比人头发丝的直径略厚。他们用一种被称为飞秒激光直写的技术来完成这一艰难的壮举，并表明光学元件的性能密切匹配模拟结果。

德国斯图加特大学超快纳米光学领域的主席，领导该研究团队的Harald Giessen指出:“虽然飞秒激光直写技术已在实验室中得到验证，但我们展示了该技术能够用于以一种高度可重复和可靠的方式制作高性能微光学元件。我们认为该方法能够被扩展，以进行批量制造并用于在微小尺度上直接打印几乎所有类型的光学元件，开启了集成微光学和纳米光学的新时代。”

　用光进行直写

　　飞秒激光直写技术用激光器发射脉冲很短的光，以选择性地硬化光敏材料。材料硬化只发生在激光器光线聚焦的小三维区域内，然后将所有未硬化的材料冲走，露出已建造好的3D结构。

　　虽然全世界的许多实验室都制作出其自己的3D激光直写系统，但这些自制系统对环境条件和激光器功率的差异非常敏感，从而不能可靠地制造高质量微光学元件。为了克服这些问题，研究人员用一种已设计出的市售双光子3D激光光刻系统来直写纳米尺寸结构。该系统由Nanoscribe有限公司制造，专为稳定性、可靠性和质量而设计的。

Giessen解释道:“我们有一种类似于一支笔的东西，让我们能够透过材料进行3D移动，以类似于3D打印机但尺度又非常小的方式生成结构。如果你将一组参数导入到我们的系统和世界上其他地方的系统中，你将得到完全相同的结果。即使在今后的几个月进行这种对比，每次产生的结果还是相同的。”

　建造相位掩模

　　研究人员用3D激光直写系统建造名为相位掩模的光学元件，相位掩模提供一种简洁的方法，可在不使用大而笨重的透镜的情况下对从光纤末端出来的光进行塑形。

　　通常情况下，离开光纤末端的光属于高斯型的，这意味着它中间部分亮，并向边缘部分变暗。研究人员直接在光纤的末端上建造相位掩模，将光塑造为平顶轮廓，使整个照明区域的亮度相同，或者塑造为甜甜圈形状，以被明亮光环包围着的中空部分为特色。

Giessen指出:“由于相位掩模非常小且直接建造在光纤的末端上，即使是相位掩模中心位置的细微误差也会导致甜甜圈形光束不好看且不圆。我们解决了Z困难的问题之一:直接在单模光纤的中心以亚微米精度反复植入相位掩模。”

　　直接激光直写方法可用于以多种方式建造光学元件。研究人员发现，从中心位置开始一环接一环地建造相位掩模，或者从底部开始一层接一层地建造相位掩模，都能生成高质量的结构。

　　文章的第 一作者，斯图加特大学的Timo Gissibl指出:“根据你所选择的直写方式，你可能获得不同的光学特性，此外，你能够以什么样的速度直写和以多快的速度制造光学元件很大程度上取决于你的直写模式。”

　　研究人员建造的相位掩模有多种潜在用途。通过取代大型光学镜头，顶环掩模能够以更小的内窥镜形式实现照明，它可以用于在诸如结肠镜检查等非侵入手术或过程期间进行体内观察。例如，生成甜甜圈形状光的带有相位掩模的光纤可以直接放入液体中并用于光学捕获颗粒或细胞。此外，这项技术的发明者Lihong Wang指出，光声内窥镜可以受益于极小型的空心光束传输。

　　该研究团队目前正在进行实验，以弄清3D激光直写技术是否能用于建造一个微型相位掩模，以便将光纤输出塑造成扭曲的光，这对量子纠缠和其他应用有极为重要的意义。Giessen表示:“既然仪器可用了，限制我们的因素只剩下我们的思维，即如何想办法利用该仪器。”