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小型多分量光束整形器——用于笨重光学元件的廉价显微镜设备的替代方案

2022-10-18 10:05| 发布者: 光执事| 查看: 388| 评论: 0

摘要: 研究人员已经证明,可以在光纤末端使用3D激光打印来制造复杂的高质量聚合物光学器件。这种类型的微光学系统包含细节小于人类头发直径的组件,可以提供一种非常小且价格合理的方法来修改不同应用的光束。

研究人员已经证明,可以在光纤末端使用3D激光打印来制造复杂的高质量聚合物光学器件。这种类型的微光学系统包含细节小于人类头发直径的组件,可以提供一种非常小且价格合理的方法来修改不同应用的光束。


研究人员使用3D激光打印直接在光纤末端制造高质量,复杂的聚合物光学器件。图中显示了该设备的扫描电子显微镜图像。它包括一个用于光准直的抛物线透镜和一个扭曲光的扭曲轴子光学器件。

图片来源:什洛米·利特曼,索雷克核研究中心


“通信技术,互联网和许多其他应用都基于光纤。

——什洛米·莱特曼,索雷克核研究中心研究组组长”

莱特曼补充说:“当光从光纤中出来时,通常使用大型光学元件将其传输到下一个位置。我们的方法通过将布线过程集成到光纤本身,将这一过程的规模和成本最小化。”


莱特曼和他的同事们在光学出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们是如何在光纤上建造这种微小的多分量光束整形器的。普通的激光通过该装置转换成扭曲的贝塞尔光束,贝塞尔光束具有轨道角动量,不像其他光束那样在空间中延伸。


在不到5分钟的时间里,研究人员构建了完整的微型光学装置。光纤和微型光学装置组合的成本不到100美元,大约是具有类似功能的典型显微镜物镜价格的十分之一。


“直接从光纤创建贝塞尔光束的能力可以用于粒子操作或光纤集成受激发射损耗(STED)显微镜,一种产生超分辨率图像的技术。我们的制造方法还可以通过在上面打印智能小结构,将廉价的镜头升级为更高质量的智能镜头。”莱特曼进一步表示。


精密的计划

研究人员使用3D直接激光打印(一种制造方法)来制造这种小型光学元件。双光子吸收是利用飞秒激光脉冲在光敏光学介质中产生的。高分辨率的3D元素可以产生,因为只有发生双光子吸收的微小体积才会凝固。


尽管3D直接激光打印已经存在一段时间了,但在光纤尖端上制造这种微小的光学元件,并且具有合适的尺寸和对齐方式,仍然具有挑战性。


Lightman表示:“在开始制作过程之前,我们能够通过执行高度精确的2D3D模拟来克服这一障碍。此外,我们必须仔细考虑如何将光学元件彼此集成,然后将其与光纤核心对齐。”


研究人员在模拟的基础上仔细规划后,使用了商用3D直接激光写入技术和高光学质量的光敏聚合物,在单模光纤末端打印出了110微米高、60微米宽的光学器件。


仪器中既有用于准直的螺旋轴形透镜,也有用于准直的抛物面透镜。这导致离开纤维的光束变得扭曲。


高质量的光传播

研究人员构建了一个光学测量系统,记录从改性光纤中穿过的形状光束,以评估光学器件的制造质量。这种光束几乎没有衍射,这表明它可能对粒子操作和STED显微镜等任务有用。


此外,他们发现激光功率可以接近10MW/cm2,而不损害所制造的微型光学器件。这表明,即使该设备是由聚合物制成的,也可以产生相对较高的激光功率,而聚合物比玻璃更容易受到高功率的热损伤。


研究人员正在探索聚合物比例低的混合光敏材料,现在他们已经证明,使用这种直接3D激光打印技术可以生产精确的多元素微光学。


与高分子材料相比,这些材料可以生产更高质量的光学材料,也有更长的货架寿命,更能抵抗强激光。


期刊引用:

Lightman,S.(2022)通过在光纤尖端上的集成多光学元件的3D直接打印生成涡贝塞尔光束。光学信件。doi:10.1364/OL.470924


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