《Nature》子刊：3D打印鏡頭可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光譜分析

2020年5月15日，南極熊從外媒獲悉，波蘭華沙大學(xué)的研究人員利用激光直接書寫（DLW）3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出了微米大小的鏡片。這種3D打印的透鏡可以在各種材料上制作，包括易碎的石墨烯類材料。

物理系的研究團(tuán)隊(duì)解釋說，這種透鏡可以取代之前需要的笨重的顯微鏡物鏡，而這些物鏡是執(zhí)行單個(gè)納米大小的發(fā)光體（如量子點(diǎn)或原子薄的2D材料）的光譜測量所需的。

此外，這些笨重的顯微鏡必須放置在離待分析樣品約十分之一英寸的距離，這可能會對許多類型的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)造成限制。研究人員表示，使用3D打印的鏡頭，可以將鏡頭正面與樣品表面之間的工作距離增加了兩個(gè)數(shù)量級以上。這有可能為大類光學(xué)實(shí)驗(yàn)開辟了新的前景。

△3D打印的非球面微透鏡的掃描電子顯微鏡圖像，照片來自華沙大學(xué)

用3D打印技術(shù)生產(chǎn)微透鏡

研究人員通過解釋說，商業(yè)化的3D打印機(jī)一直在經(jīng)歷著快速發(fā)展，這與它的兼容材料，包括高光學(xué)質(zhì)量的透明介質(zhì)在內(nèi)的兼容材料相吻合。研究人員表示，3D打印技術(shù)與此類材料并駕齊驅(qū)，為生物、醫(yī)學(xué)、超材料研究、機(jī)器人技術(shù)和微光學(xué)等諸多科技領(lǐng)域開辟了新的可能性。

在展示其在光的提取和傳遞方面的應(yīng)用時(shí)，論文的作者解釋說，他們已經(jīng)開發(fā)出了高效的橢圓微透鏡，可以在發(fā)光體的頂部3D打印。這些透鏡被作者們描述為 "簡單、經(jīng)濟(jì)有效、寬頻、通用性強(qiáng)，并且與其他廣泛需要的微光學(xué)系統(tǒng)的組件兼容"，同時(shí)還可以在沒有高數(shù)值孔徑光學(xué)器件的情況下運(yùn)行。

為了制造這種可以在各種樣品上制造的透鏡，該團(tuán)隊(duì)選擇了使用DLW 3D打印工藝，論文中稱其為 "一種能夠打印幾乎任何形狀的透鏡的多功能技術(shù)"。DLW也被稱為雙光子3D光刻技術(shù)，這是一種能夠生產(chǎn)任意3D納米結(jié)構(gòu)的工藝。

這樣的技術(shù)由德國雙光子快速成型制造系統(tǒng)制造商N(yùn)anoscribe公司提供。去年，該公司推出了Quantum X系統(tǒng)，專門用于制造納米尺寸的折射和衍射微光器件，其尺寸可以小到200微米。

2019年底，來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和香港中文大學(xué)的研究人員在雙光子快速成型制造方面取得了突破性進(jìn)展，在限制分辨率犧牲的同時(shí)，加快了該技術(shù)的制造速度。

Quantum X系統(tǒng)上3D打印的微透鏡陣列，圖片來源：Nanoscribe。

超長工作距離光譜學(xué)的優(yōu)勢

作者提出的3D打印透鏡的一個(gè)關(guān)鍵屬性是，它能夠增加對半導(dǎo)體樣品發(fā)出的光的提取，并將其發(fā)出的部分重塑成超窄光束。由于這一特性，研究人員解釋說，這種透鏡可以幫助消除執(zhí)行單點(diǎn)狀發(fā)光體的光學(xué)測量所需的笨重的顯微鏡。該論文作者表示，3D打印的微透鏡還可以實(shí)現(xiàn)長工作距離的光學(xué)測量（1英寸的采集透鏡可以達(dá)到600毫米），這是迄今為止其他分光鏡技術(shù)無法達(dá)到的。

通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)的分光顯微鏡測量的尺寸大致為手掌大小，重達(dá)一磅（半公斤），而且必須放置在與樣品的距離非常小的地方。當(dāng)試圖在脈沖高磁場、低溫或微波腔內(nèi)進(jìn)行測量時(shí)，這可能會帶來一些問題，另一方面，研究團(tuán)隊(duì)提出的3D打印鏡頭可以很容易地將其抬起來。

此外，DLW 3D打印工藝的高速能力意味著可以在一個(gè)樣品上制作出數(shù)百個(gè)微型透鏡，這有助于實(shí)現(xiàn)更多的時(shí)間效率研究和假設(shè)測試。"將它們排列成規(guī)則的陣列提供了一個(gè)方便的坐標(biāo)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地指定所選納米物體的位置，并允許在全球不同的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行多次測量。"研究人員解釋說。

該研究論文《Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses》發(fā)表在《 Light: Science & Applications》雜志上，由Bogucki, A., Zinkiewicz, Ł., Grzeszczyk, M.等人撰寫。

編譯自：3dprintingindustry