通过3D打印实现高校对焦和锐利图像

    在莱布尼兹光子技术研究所（Leibniz institute of photonic technology）的帮助下,来自德国、澳大利亚、韩国以及英国的研究人员组成的跨学科团队首次实现通过优化光学玻璃纤维，使不同波长的光能够精确聚焦。

利用3D纳米打印技术将消色差聚合物透镜应用到光纤的末端，使光在多波段物色差聚焦。图片来自：Haoran Ren/Monah University

连接在光纤末端的光学透镜是3D纳米打印的，以达到所需的精度水平。这为激光治疗、传感器技术、内窥镜、显微镜和其他应用创造了新的机会。《自然通讯》（Nature Communications）杂志发表了研究人员的发现。

目前用于医疗诊断的内窥镜的光纤端面透镜存在着色差的缺点。

由于不同波长的光弯曲和折射率不同，造成焦点的偏移，从而导致在较宽波长范围内的成像模糊。消色差透镜提供了一种解决方案，可以减少这些光学缺陷。

一个国际团队现在已经实现了这种消色差透镜的首次实现，被称为“元透镜”，被置于光纤的末端，可以通过景深成像对微小细节进行聚焦和成像。

为了实现理想的光整形和消色差聚焦，我们实现了一种超薄聚合物基透镜，它由复杂的几何结构设计组成，以纳米孔的形式。该结构直接打印在商用光纤端面上的3d打印空心塔结构的尖端。

Professor Dr. Markus Schmidt, Head, Fiber Photonics Department, Leibniz Institute of Photonic Technology

施密特博士补充说，“通过这种方式，光纤被功能化，使光可以非常有效地聚焦在一个焦点上，从而生成高分辨率的图像。”

研究人员开发了一种元透镜，透镜直径为100微米，数值孔径(NA)为0.2，这比以前在光纤端面末端使用的消色差透镜大得多，从而提高了分辨率。

该透镜具有400纳米的红外光谱带宽和光学像差的校正功能，可实现对光线的精确聚焦。

“值得注意的是，单个纳米颗粒的高度从8.5微米到13.5微米不等。这使得不同波长的光可以聚焦在一个焦点上，”施密特博士说。

以基于光纤的共聚焦扫描成像为例，研究人员在实验研究中演示了所创建的光纤的透镜和聚焦效率。

他们使用消色差元光学光纤在不同波长下产生了令人信服的图像质量，具有高的图像采集效率和高的图像对比度。即使使用不同的波长，焦点位置基本上保持一致。

由于所开发的纳米结构元透镜非常小且平坦，顶部带有消色差光学的光纤设计为进一步推进基于光纤技术的小型化和灵活的内镜成像系统提供了潜力，并实现更温和的微创检查。

Professor Dr. Markus Schmidt, Head, Fiber Photonics Department, Leibniz Institute of Photonic Technology

除了这一主要应用领域外，研究人员还预期在光纤通信、光纤传感器技术和激光辅助治疗和手术方面有进一步的应用。

来自澳大利亚墨尔本莫纳什大学（Monash University in Melbourne）、德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学（Ludwig-Maximilians-Universität München）、韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）、德国耶拿大学（University in Jena,）、韩国浦项POSCO-POSTECH-RIST平面光学和元光子学收敛研究中心（POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Center for Flat Optics and Metaphotonics）、英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）和莱布尼茨光子技术研究所（Leibniz IPHT ）的研究人员共同努力，在光纤端面上创建了实现的元透镜。

期刊参考

Ren, H., et al. (2022) An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range. Nature Communications. doi:10.1038/s41467-022-31902-3.

Source: https://www.leibniz-ipht.de/en/homepage/