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3D打印镜头允许超长距离显微观察

波兰华沙大学的研究人员利用激光直接书写(DLW)3D打印技术设计出了微米大小的镜片。这种3D打印的透镜可以在各种材料上制作,包括易碎的石墨烯类材料。

位于物理系的研究团队解释说,这种透镜可以取代之前需要的笨重的显微镜目标,而这些目标是执行单个纳米大小的发光体(如量子点或原子薄的2D材料)的光谱测量所需的。

此外,这些笨重的显微镜必须放置在离待分析样品约十分之一英寸的距离,这可能会对许多类型的现代实验造成限制。研究人员表示,拟议的3D打印镜头,将镜头正面与样品表面之间的工作距离增加了两个数量级以上。这有可能为一类广泛的光学实验开辟了新的前景。

3D打印的非球面微透镜的扫描电子显微镜图像 照片由华沙大学提供

利用3D打印技术生产微透镜

研究人员通过解释说,商业化的3D打印机一直在经历着快速发展,这与它的兼容材料,包括高光学质量的透明介质在内的兼容材料相吻合。研究人员表示,3D打印技术与此类材料并驾齐驱,为生物、医学、超材料研究、机器人技术和微光学等诸多科技领域开辟了新的可能性。

在展示其在光的提取和传递方面的应用时,论文的作者解释说,他们已经开发出了高效的椭圆微透镜,可以在发光体的顶部3D打印。这些透镜被作者们描述为 "简单、经济有效、宽频、通用性强,并与其他广泛需要的微光学系统的组件兼容",同时还可以在没有高数值孔径光学器件的情况下运行。

为了制造这种可以在各种样品上制造的透镜,该团队选择了使用DLW 3D打印工艺,论文中称其为 "一种能够打印几乎任何形状的透镜的多功能技术"。DLW也被称为双光子3D光刻技术,这是一种能够生产任意3D纳米结构的工艺。

这样的技术由德国双光子快速成型制造系统制造商Nanoscribe公司提供。去年,该公司推出了量子X,专门用于制造纳米尺寸的折射和衍射微光学器件,其尺寸可以小到200微米。

2019年底,来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和香港中文大学的研究人员在双光子快速成型制造方面取得了突破性进展,在限制牺牲分辨率的同时,加快了该技术的制造速度。

量子X机器上3D打印的微透镜阵列 图片来源:Nanoscribe

超长工作距离光谱技术的优点

作者提出的3D打印透镜的一个关键属性是,它能够增加对半导体样品发出的光的提取,并将其发出的部分重塑成超窄光束。由于这一特性,研究人员解释说,这种透镜可以帮助消除执行单点状发光体的光学测量所需的笨重的显微镜。该论文作者表示,3D打印的微透镜还可以实现长工作距离的光学测量(1英寸的采集透镜可以达到600毫米),这是迄今为止其他分光镜技术无法达到的。

通常情况下,标准的分光显微镜测量的尺寸大致为手掌大小,重达一磅(半公斤),而且必须放置在与样品的距离非常小的地方。当试图在脉冲高磁场、低温或微波腔内进行测量时,这可能会带来一些问题,另一方面,研究团队提出的3D打印镜头可以很容易地将其抬起来。

此外,DLW 3D打印工艺的高速能力意味着可以在一个样品上制作出数百个微型透镜,这有助于实现更多的时间效率研究和假设测试。"将它们排列成规则的阵列提供了一个方便的坐标系统,可以准确地指定所选纳米物体的位置,并允许在全球不同的实验室进行多次测量,"研究人员解释说。

该研究论文《用非球面固体浸入式微透镜对单个纳米结构的超长工作距离光谱分析》发表在《Light: 科学与应用》,9,1(2020)(https://doi.org/10.1038/s41377-020-0284-1)。作者:Bogucki, A., Zinkiewicz, Ł., Grzeszcz

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