3D打印镜头设计改善了数据传输的可能性

2020年12月15日-来自伊利诺伊大学的研究人员团队开发了一种球面透镜，该透镜能够将来自任何方向的入射光聚焦在与输入方向相反的透镜表面上，从而使其非常小。点。该透镜是研究人员介绍的多种微透镜设计之一，每个微透镜都是3D打印的，并且折射率可调。

标准透镜具有单一折射率，因此，入射光只能通过单个接入点穿过透镜。由于能够在制造过程中精确控制透镜的形状和内部折射率的特性，研究人员引入了两种不同的方式来操纵（弯曲）单个透镜内部的光。

伊利诺伊大学的研究人员Paul Braun和Lynford Goddard领导了这项研究，介绍了这项工作。他们报告说，这项研究是第一个成功（以亚微米级精度）成功地调节光在通过单个光学透镜时弯曲方向的方法。

镜片的设计具有改善现有成像和通讯方法的潜力。在计算中，镜头技术已准备好增强计算机芯片和其他光学系统执行数据路由任务的能力。

为了制造透镜，研究人员使用了直接激光书写或多光子光刻技术。通常，该过程涉及将飞秒脉冲激光聚焦到光聚合物中描述该研究的论文的主要作者克里斯蒂安·奥西尔（Christian Ocier）告诉Photonics Media，这导致了光聚合物在激光焦点处的固化。

“我们的过程不同于传统的直接激光书写，” Ocier说，“我们将光敏聚合物浸入多孔支架中，然后通过将激光引导到浸透的多孔支架中进行固化。对于多孔支架，我们选择多孔硅是因为其具有光学透明性以及能够使光敏聚合物彻底润湿其孔的能力。”
 

伊利诺伊州的研究人员开发了一种球面透镜，该透镜可以使从任何方向进入透镜的光聚焦到与输入方向完全相反的透镜表面上的一个非常小的点。这是首次为可见光制造这种透镜。

具体来说，研究人员在他们的方法中，对打印文件进行了编程，以将激光聚焦在与他们一起工作的多孔硅内部，从而确定了他们的方法和材料的最佳激光强度。

Ocier说，研究小组使用了一种常见的可商购的聚合物IP-Dip，它能够形成高分辨率的结构。Osier说，其他具有不同光学特性的光敏树脂，包括那些与液晶混合或为特定生物学应用量身定制的光敏树脂，也可以应用于伊利诺伊州研究人员所使用的相同工艺。

尽管目前存在多光子光刻微透镜，但这些透镜仅具有单一折射率。该过程通常会固化的聚合物形成的光学结构最多比人的头发小100倍。

“我们通过在纳米多孔支架支撑材料内部印刷解决了折射率限制，” Braun说。“脚手架将印刷的光学器件锁定在适当的位置，从而允许制造带有悬挂组件的3D系统。”

研究人员认为，实现精确控制折射率的能力很可能源于聚合物固化和凝固的过程。曝光条件与激光强度配对，决定了被截留在孔中的聚合物的数量。

布劳恩说，尽管聚合物的光学性能保持不变，但材料的总折射率随激光曝光而受到控制。

团队在演示中制造的三块透镜之一是可见光Luneburg透镜，这是以前无法制造的透镜，因为需要创建一个折射率梯度，该梯度必须在整个3D体积中严格遵守特定方程，Ocier说过。“由于Luneburg透镜被设计为聚焦较小的波长，因此提高了所需的折射率分辨率。”

Ocier说，在进行当前工作之前，一个研究小组采用了多光子光刻方法，通过创建由立方晶胞组成的渐变折射率球体，该立方晶胞由聚合物和空气量不同的立方晶胞组成。Ocier说，由于常规多光子光刻技术对分辨率的限制，工作波长为6 µm的Luneburg透镜无法缩放聚焦性能以实现可见波长操作。

除了制造许多光学组件和成像系统（包括那些可以提高个人计算性能和访问个人计算能力的光学组件和成像系统）之外，该技术还为即将到来的透镜制造提供了巨大希望。考虑到这项新技术使研究人员能够印刷复合透镜，包括消色差透镜，该消色差透镜是将不同颜色的光聚焦到一个公共点上的透镜，这一点尤其正确。

“以前，消色差镜是使用两种不同的光敏聚合物制成的。第一步是用具有特定折射率值的聚合物印刷第一个透镜，然后显影掉未固化的光敏聚合物。然后，将添加另一种具有不同折射率的光敏聚合物来定义第二个元素……您将不得不将激光与第一个印刷透镜的中心精确地重新对准，然后将第二个透镜印刷在第一个透镜的顶部。

“不过，我们只需在3D打印过程中更改激光功率即可控制单一光敏聚合物的光学特性。因此，我们可以跳过很多额外的步骤，并且两个镜头保持良好的对齐。这对于诸如由多个元件组成的镜头系统以校正色彩和成像之类的东西可能非常有用。”

戈达德说，在数据传输过程中，在传统的电子连接上插入光波导有助于提高传输过程的速度。不同波长的光可以并行发送数据。但是，由于光波导只能在单个平面上制造，因此可以连接的芯片上的点数受到限制。

戈达德说：“通过创建三维波导，我们可以极大地改善数据路由，传输速度和能源效率。”

在进行商业化之前，伊利诺伊大学的团队必须解决“缝合”问题-一次打印一个大型3D打印结构的一部分可能会导致结构错误。

“想象一下，您试图用Sharpie画一条10英尺长的线，” Ocier说。“您不能一次绘制整条线。您将不得不绘制线条的上半部分，站起来并走5英尺到下一个位置，然后绘制线条的下半部分。线的中心会出现错误，因为您无法将线的两半完全匹配在一起。”

奥西尔说，新工艺本质上是连续的。“这里的挑战是找到一种方法，允许在同时写入多个设备的同时控制光学设备的3D形状及其折射率。”