來(lái)自以色列Soreq核研究中心的研究人員近期成功開發(fā)出一種新型3D激光打印技術(shù)，可直接在光纖末端制造高質(zhì)量、復(fù)雜的聚合物光學(xué)器件，能夠以一種低成本的方式來(lái)為各種應(yīng)用設(shè)計(jì)不同的光束。而且這種微型光學(xué)器件的尺寸甚至比人類頭發(fā)絲的直徑還要小。

以色列索瑞克核研究中心（Soreq Nuclear Research Center in Israel）的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Shlomi Lightman表示：“包括通信、互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的許多應(yīng)用都是基于光纖技術(shù)。當(dāng)光從光纖中出來(lái)時(shí)，一般會(huì)使用大型光學(xué)元件將其傳輸?shù)较乱粋�(gè)位置。而我們的方法則是通過將布線過程集成到光纖本身，最大限度地減少這一過程所需的尺寸和成本。”

圖1 3D打印的復(fù)雜聚合物光學(xué)器件的掃描電子顯微鏡圖像

另外值得注意的是，整個(gè)微型光學(xué)器件的制造過程花了僅僅不到五分鐘。而且光纖和這種微型光學(xué)器件加起來(lái)的的成本不到100美元，大約是具有類似功能的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡物鏡成本的十分之一。

Shlomi Lightman表示：“直接從光纖產(chǎn)生貝塞爾光束的能力，可以用于粒子操作或光纖集成受激發(fā)射損耗（STED）顯微鏡，這是一種產(chǎn)生超分辨率圖像的技術(shù)。我們的制造方法還可以通過在鏡片上打印智能微結(jié)構(gòu)，將普通鏡片升級(jí)為更高質(zhì)量的智能鏡片。”

為了制造這種微型光學(xué)器件，研究人員使用了一種叫做3D直接激光打印的技術(shù)。它使用飛秒脈沖激光束在光敏光學(xué)材料中產(chǎn)生雙光子吸收。只有發(fā)生雙光子吸收的微小材料會(huì)變?yōu)楣腆w，這提供了一種創(chuàng)建高分辨率3D結(jié)構(gòu)的方法。

雖然3D直接激光打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間，但是在光纖尖端制作如此小的光學(xué)器件時(shí)，依舊很難獲得正確的比例并對(duì)準(zhǔn)。于是，研究人員通過進(jìn)行高度精確的2D和3D模擬，克服了這個(gè)障礙。除此之外，他們還需要仔細(xì)考慮如何將光學(xué)元件相互集成，然后將其與光纖的纖芯對(duì)齊。

在經(jīng)過模擬和精心規(guī)劃后，研究人員使用商業(yè)3D直接激光寫入系統(tǒng)和光敏聚合物，在單模光纖末端打印出了直徑為60微米、高度為110微米的微型光學(xué)器件。它包括用于光線準(zhǔn)直的拋物面透鏡和用于扭曲光線的螺旋軸棱鏡。因此可以使從光纖射出的光變成扭曲的貝塞爾光束。

為了分析上述所制作出器件的質(zhì)量，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)捕獲從改性光纖傳輸?shù)恼�形光束。他們�(cè)诠馐�中觀察到非常低的衍射，這意味著它可應(yīng)用于STED顯微鏡和粒子操作等應(yīng)用。

圖2 用于分析整形光束性能的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

他們還發(fā)現(xiàn)他們還發(fā)現(xiàn)，激光功率如果達(dá)到接近10 MW／cm2就會(huì)損壞制作的微光學(xué)器件。也就是說(shuō)，雖然聚合物比玻璃更容易受到高功率的熱損傷，但由聚合物制成的該器件仍然可以用于產(chǎn)生相對(duì)較高的激光功率。

如今，研究人員已經(jīng)證明了使用這種直接3D激光打印方法可以創(chuàng)建精確的多元素微光學(xué)系統(tǒng)，他們正在嘗試使用含有低比例聚合物的混合光敏材料進(jìn)行試實(shí)驗(yàn)。與聚合物材料相比，這種材料可以生產(chǎn)出質(zhì)量更高的光學(xué)器件，而且還具有保質(zhì)期長(zhǎng)，耐熱性高的優(yōu)勢(shì)。

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