激光3D纳米打印技术优化光学玻璃纤维，精准聚焦光束

2022年10月31日，南极熊获悉，来自韩国、澳大利亚、英国和德国的一个跨学科研究小组，在莱布尼兹光电技术研究所（Leibniz IPHT）的参与下，首次对光学玻璃纤维进行了优化，使不同波长的光线能够极其精确地聚焦。

△位于3D打印空心塔顶部的消色差透镜，通过激光3D纳米打印与单模光纤连接

这一高精度光学透镜是利用激光3D纳米打印技术实现的，透镜被应用于光纤的末端。该技术为显微镜和内窥镜、以及激光治疗和传感器技术提供了新的应用前景。

△玻璃基板上消色差超透镜和彩色超透镜的实验表征和比较

技术背景
目前用于医疗诊断的内窥镜，通常存在光纤端面透镜有色差的缺点。这种光学成像误差（由不同波长的光，即不同光谱颜色的光的形状和折射不同而引起）导致焦点偏移，从而在波长范围较广的成像中造成模糊。

科学家们发现，消色差透镜可以使这些光学像差最小化，为解决这一问题提供了一个解决方案。

这种消色差透镜，也就是所谓的超透镜，它被安装在光纤的末端，可以通过景深成像对微小细节进行聚焦和成像，现在已经由国际团队利用3D打印技术首次实现。

△消色差超纤维的成像性能

消色差超纤维成像
莱布尼兹光电技术研究所，光纤光子学系主任Markus Schmidt教授解释说：“为了实现理想的光塑造和消色差聚焦，我们实现了一个基于聚合物的超薄透镜，它由纳米柱形式的几何结构的复杂设计组成。这种结构被直接3D打印在商业光纤端面的一个空心塔结构的顶端上。通过这种方式，可以对光纤进行功能化，使光可以非常有效地聚焦在焦点上，并可以生成高分辨率的图像。”

超薄透镜的透镜直径为100微米，数值孔径(NA)为0.2，与以前在光纤端面使用的消色差透镜相比，该值显着提高，从而实现了更好的分辨率。该镜头可以校正光学像差，并且可以非常精确地聚焦红外范围内光谱带宽为400纳米的光。

△Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D 打印机

利用激光3D纳米打印技术
通过紧密聚焦的飞秒激光束进行2PP双光子聚合技术，实现了基于聚合物的消色差超透镜。据悉，该团队采用Nanoscribe开发的微纳米3D打印设备Photonic Professional GT来完成的
聚合物超表面样品首先在 IP-L 780 光刻胶树脂 (Nanoscribe GmbH) 的二氧化硅基板上，通过浸入式配置中的高数值孔径物镜 (Plan-Apochromat 63x/1.40 Oil DIC, Zeiss) 制造。激光功率和扫描速度的优化打印参数分别为47.5 mW和7000 μm/s。

激光曝光后，样品在丙二醇单甲醚醋酸酯（PGMEA，Sigma-Aldrich）中浸泡20分钟，在异丙醇（IPA，Sigma-Aldrich）中浸泡5分钟，在甲氧基非氟丁烷（Novec 7100工程液，3M）中浸泡2分钟。最后，将制作好的样品在空气中蒸发干燥。

△该团队的研究成果已发表在《自然通信》杂志上，研究题目为“用于在整个电信范围内聚焦和成像的消色差超光纤”（传送门）

研究成果和应用前景
在实验研究中，研究人员能够以基于光纤的共焦扫描成像为例，证明已开发光纤的透镜和聚焦效率。使用具有消色差超光学的光纤，该团队通过高图像采集实现了令人信服的图像质量效率和不同波长下的高图像对比度。即使在不同的波长下，焦点位置也几乎保持不变。

Markus Schmidt教授介绍该研究的潜在应用前景：“由于开发的纳米结构超透镜非常小且扁平，顶部带有消色差光学器件的光纤设计方案，因此，进一步推进基于光纤技术的小型化和柔性内窥镜成像系统的潜力，并实现更温和的微创检查。”除了这一主要应用领域外，研究人员还在激光辅助治疗和手术、光纤通信和光纤传感器技术领域看到了更多应用前景。