Исследователи из Варшавского университета (https://en.uw.edu.pl/) в Польше разработали объективы микрометрового размера с использованием технологии 3D-печати с прямой лазерной записью (DLW). Объективы с 3D-печатью могут быть изготовлены поверх различных материалов, в том числе хрупких графеноподобных материалов.
Исследовательская группа, работающая на физическом факультете, объясняет, что линзы могут заменить громоздкие объективы микроскопов, которые ранее требовались для проведения спектроскопических измерений одиночных излучателей света нанометрового размера, таких как квантовые точки или 2D-материалы толщиной в атом.
Кроме того, эти громоздкие микроскопы должны были располагаться на расстоянии около одной десятой дюйма (2,5 мм) от анализируемого образца, что накладывало ограничения на многие виды экспериментов. Предложенные 3D-печатные линзы, по мнению исследователей, увеличивают рабочее расстояние между передней частью объектива и поверхностью образца более чем на два порядка. Это потенциально открывает новые перспективы для широкого класса оптических экспериментов.
Как объясняют исследователи рынок коммерчески доступных 3D-принтеров быстро развивается, то же самое происходит с совместимыми материалами, включая прозрачные носители высокого оптического качества. Развитие технологий 3D-печати наряду с такими материалами открывает новые возможности во многих областях науки и техники, включая биологию, медицину, исследования мета-материалов, робототехнику и микро-оптику, утверждают исследователи.
Демонстрируя свои применения в области извлечения и доставки света, авторы статьи объясняют, что они разработали эффективные эллиптические микролинзы, которые можно наносить поверх излучателей света методом 3D-печати. Эти объективы описываются авторами как «простые, экономически эффективные, широкополосные, универсальные и совместимые с другими компонентами широко распространенных микрооптических систем», а также работают без оптики с высокой числовой апертурой.
Для производства линз, которые могут быть изготовлены на самых разных образцах, команда решила использовать процесс 3D-печати DLW, который описан в документе как «универсальная технология, способная печатать линзы практически любой формы». DLW также известен как двухфотонная трехмерная фотолитография (https://3dprintingindustry.com/tags/two-photon-lithography/), процесс, который позволяет создавать произвольные трехмерные наноструктуры.
Такая технология предоставлена компанией Nanoscribe (https://www.nanoscribe.com/), немецким производителем двухфотонных систем аддитивного производства. В прошлом году компания представила Quantum X (https://3dprintingindustry.com/news/nanoscribe-introduces-quantum-x-a-two-photon-3d-printer-for-microoptics-157656/), специально предназначенную для изготовления преломляющей и дифракционной микрооптики размером до 200 микрон.
В конце 2019 года исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL - https://www.llnl.gov/) и Китайского университета Гонконга (CUHK - http://www.cuhk.edu.hk/) добились прорыва в развитии производства двухфотонных добавок, ускорив скорость изготовления метода и ограничив при этом потерю разрешения.
Ключевым свойством 3D-печатных линз, представленных авторами, является то, что они способны увеличивать извлечение света, испускаемого из полупроводниковых образцов, и преобразовывать его исходящую часть в ультратонкий луч. Благодаря этому свойству исследователи объясняют, что линзы могут помочь устранить необходимость в громоздких микроскопах, необходимых для выполнения оптических измерений, проводимых с помощью точечных излучателей. 3D-печатные микролинзы также позволяют проводить оптические измерения на большом рабочем расстоянии (600 мм с 1-дюймовой собирающей линзой), которые, по мнению авторов статьи, на сегодняшний день недоступны для других методов спектроскопии.
Как правило, стандартные спектроскопические микроскопы измеряют примерно размер ладони, весят до одного фунта (пол-килограмма) и должны быть расположены на очень небольшом расстоянии от образца. Это может вызвать проблемы при попытке произвести измерения в импульсных сильных магнитных полях, при криогенных температурах или в микроволновых полостях, которые, с другой стороны, могут быть легко сняты с помощью 3D-печатных линз, представленных исследовательской группой.
Кроме того, высокоскоростные возможности процесса 3D-печати DLW позволяют производить сотни микролинз на одном образце, что может помочь обеспечить гораздо более эффективное исследование и проверку гипотез. «Расположение их в регулярные массивы обеспечивает удобную систему координат, которая точно определяет местоположение выбранного нанообъекта и позволяет проводить его множественные измерения в разных лабораториях по всему миру», - объясняют исследователи.
Научно-исследовательская работа «Спектроскопия одиночных наноструктур с асферическими твердыми иммерсионными микролинзами на сверхдлинном рабочем расстоянии» (https://www.nature.com/articles/s41377-020-0284-1#Sec16) опубликована в журнале «Свет: Наука и приложения» (Light: Science & Applications), 9, 1 (2020) (https://doi.org/10.1038/s41377-020-0284-1).