研究人員在光纖尖端上3D打印石英玻璃微光學器件

2024年5月17日，南極熊獲悉，瑞典皇家理工學院（KTH）宣稱，研究人員在光纖尖端上3D打印了石英玻璃微光學器件，它的表面與人類頭發(fā)的橫截面一樣小。這一發(fā)展可以實現(xiàn)更快的互聯(lián)網(wǎng)和更好的連接，以及更小的傳感器和成像系統(tǒng)等創(chuàng)新。

△該研究已發(fā)表在《ACS Nano》雜志上，題目為“在光纖尖端上3D打印具有亞波長特征的玻璃微光學器件”（傳送門）

研究人員表示，將二氧化硅玻璃光學器件與光纖集成可實現(xiàn)多種創(chuàng)新，包括用于環(huán)境和醫(yī)療保健的更靈敏的遠程傳感器。打印技術(shù)在藥品和化學品生產(chǎn)中也很有價值。KTH教授Kristinn Gylfason解釋道：“這種方法克服了長期以來用硅玻璃制造光纖尖端結(jié)構(gòu)的局限性，因為這種方法通常需要高溫處理，會損害對溫度敏感的光纖涂層的完整性?！?br />

△研究人員使用該工藝在光纖尖端3D打印石英玻璃微光學元件

3D打印石英玻璃微光學器件

KTH皇家理工學院的研究人員在光纖尖端上3D打印石英玻璃微光學器件，可以實現(xiàn)更快的互聯(lián)網(wǎng)速度。與其它方法不同的是，該工藝用的基礎(chǔ)材料不含有碳元素，這意味著不需要高溫來去除碳，因而使玻璃結(jié)構(gòu)透明。

該團隊在光纖尖端上3D打印無機玻璃結(jié)構(gòu)涉及四個步驟。首先，將單模光纖切割成所需的長度并在兩端進行切割。然后將光纖穿過定制的鋁制支架并固定到電動平臺上。

第二步，將40%的氫倍半硅氧烷(HSQ)甲苯溶液滴涂到光纖尖端上，形成約100 μm厚的圓頂形層。 HSQ溶液干燥，在光纖尖端留下一層硬層。

△該團隊演示了如何在光纖上打印石英玻璃微結(jié)

第三步，注入650 nm激光照射纖芯，幫助對準。最后，在第四步中，使用波長為1040 nm、脈沖寬度小于400 fs的飛秒激光器進行激光直接寫入（DLW）。

激光選擇性地固化HSQ，去除未固化的HSQ，并在光纖尖端留下3D打印的石英玻璃結(jié)構(gòu)。

結(jié)果表明，該工作解決了3D直接激光寫入玻璃方法中的高溫要求問題，允許在光纖尖端上創(chuàng)建玻璃結(jié)構(gòu)，而不會損壞溫度敏感涂層。

△3D打印玻璃立方體的折射率表征

更具彈性的傳感器

該研究的共同作者Po-Han Huang說：“這些結(jié)構(gòu)非常小，你可以在一粒沙子的表面安裝1000個，這與目前使用的傳感器的大小差不多?！?br />

研究人員還展示了一種打印納米光柵的技術(shù)，將超小型圖案蝕刻到納米尺度的表面上，這種光柵可用于精確操縱光線，在量子通信中具有潛在的應用價值。

Gylfason說：“這研究的目的是找到一種方法來整合3D打印和光子學，以便將它們應用于微流控設(shè)備、MEMS加速度計和光纖集成量子發(fā)射器等領(lǐng)域?！?br />
目前研究人員已經(jīng)為這項技術(shù)申請了專利。