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来自以色列Soreq核研究中心的研究人员近期成功开发出一种新型3D激光打印技术，可直接在光纤末端制造高质量、复杂的聚合物光学器件，能够以一种低成本的方式来为各种应用设计不同的光束。而且这种微型光学器件的尺寸甚至比人类头发丝的直径还要小。
以色列索瑞克核研究中心（Soreq Nuclear Research Center in Israel）的研究团队负责人Shlomi Lightman表示：“包括通信、互联网在内的许多应用都是基于光纤技术。当光从光纤中出来时，一般会使用大型光学元件将其传输到下一个位置。而我们的方法则是通过将布线过程集成到光纤本身，最大限度地减少这一过程所需的尺寸和成本。”
图1 3D打印的复杂聚合物光学器件的扫描电子显微镜图像
另外值得注意的是，整个微型光学器件的制造过程花了仅仅不到五分钟。而且光纤和这种微型光学器件加起来的的成本不到100美元，大约是具有类似功能的标准显微镜物镜成本的十分之一。
Shlomi Lightman表示：“直接从光纤产生贝塞尔光束的能力，可以用于粒子操作或光纤集成受激发射损耗（STED）显微镜，这是一种产生超分辨率图像的技术。我们的制造方法还可以通过在镜片上打印智能微结构，将普通镜片升级为更高质量的智能镜片。”
为了制造这种微型光学器件，研究人员使用了一种叫做3D直接激光打印的技术。它使用飞秒脉冲激光束在光敏光学材料中产生双光子吸收。只有发生双光子吸收的微小材料会变为固体，这提供了一种创建高分辨率3D结构的方法。
虽然3D直接激光打印技术已经应用了很长时间，但是在光纤尖端制作如此小的光学器件时，依旧很难获得正确的比例并对准。于是，研究人员通过进行高度精确的2D和3D模拟，克服了这个障碍。除此之外，他们还需要仔细考虑如何将光学元件相互集成，然后将其与光纤的纤芯对齐。
在经过模拟和精心规划后，研究人员使用商业3D直接激光写入系统和光敏聚合物，在单模光纤末端打印出了直径为60微米、高度为110微米的微型光学器件。它包括用于光线准直的抛物面透镜和用于扭曲光线的螺旋轴棱镜。因此可以使从光纤射出的光变成扭曲的贝塞尔光束。
为了分析上述所制作出器件的质量，研究人员设计了一个光学测量系统，来捕获从改性光纤传输的整形光束。他们在光束中观察到非常低的衍射，这意味着它可应用于STED显微镜和粒子操作等应用。
图2 用于分析整形光束性能的光学测量系统
他们还发现他们还发现，激光功率如果达到接近10 MW／cm2就会损坏制作的微光学器件。也就是说，虽然聚合物比玻璃更容易受到高功率的热损伤，但由聚合物制成的该器件仍然可以用于产生相对较高的激光功率。
如今，研究人员已经证明了使用这种直接3D激光打印方法可以创建精确的多元素微光学系统，他们正在尝试使用含有低比例聚合物的混合光敏材料进行试实验。与聚合物材料相比，这种材料可以生产出质量更高的光学器件，而且还具有保质期长，耐热性高的优势。
这项研究发表在Optics Letters (www.doi.org/10.1364/OL.470924)。
