Nanoscribes3D微纳加工技术 - 光谱学3D非球面微透镜研发

近日，一个由华沙大学物理系，日本筑波物质材料研究所以及法国格勒诺布尔国家科学研究中心所组成的国际科研团队的科学家们通过运用Nanoscribe的3D微纳加工技术设计出了如头发丝般细小的纳米级3D非球面微透镜组。

此款具有3D形状的微透镜组可以更大程度从半导体样品导入光源，并将射出部分光源重整为超窄光束。这一突破性的研究成果可替代用于光学测量的实验装置中笨重的显微镜物镜。该微透镜增加了两个数量级的可用工作距离（即透镜前端到样品表面之间的距离），为各种光学实验开辟了全新视角。此外，该3D微透镜也可以在不同材料（包括易碎的石墨烯类材料）上进行3D打印制作。

图片来自华沙大学Aleksander Bogucki教授：使用Nanoscribe双光子微纳3D打印设备Photonic Professional系列在短时间内制作的3D非球面微透镜阵列。

微透镜的优点

透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。随着科学技术的进步，传统方法制造出来的光学元件已经不能满足当今科技发展的需要了。而利用微光学技术所制造出的微透镜和微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、降低制造和包装成本等优点，已然成为新的科研发展方向。微透镜用处广泛，可用于例如照明，显示器，传感器和医疗设备等领域。

有效地进行光的传输和收集，对于微光学系统的性能和潜能有着至关重要的作用。通常，我们会运用不同的方式来增加全内反射临界角或减少界面处的菲涅尔反射，例如在光源发射器下方放置镜子，在防放射层上覆盖基材表面以减少内部反射等。在对于半导体纳米结构，通常会使用半球形的固体浸没透镜（SIL）来解决问题。通过三维减材制造制造的SIL可以增加23%甚至40%的光子提取。但是，这些方法都不能达到令人满意的效果，仍然需要借助使用具有高数值孔径的聚光光学器件。

而科学家们此次通过使用Nanoscribe3D激光直写技术（DWL）制造的椭圆微透镜（μ透镜）适用于光谱测量中的点光源发射器。基于菲涅耳反射的减少和全内反射的临界角的增加的原理，该非球面透镜成倍提高了光的提取效率。此外，还将收集的光源重整为超低发散光束（测得的光束发散半角小于1°）。因此，发出的光可以直接以约600-700 mm的有效WD引入聚光光学器件，这是标准的高NA长WD显微镜物镜的70倍。

在传统实验中，科学家们通常会将重达半公斤，几乎手掌大小的重型显微镜物镜放置在距离分析样品几毫米的位置上。显而易见，这会限制很多现代实验的操作和可行性，例如在脉冲高磁场，低温或微波腔中的测量实验。而这款基于Nanoscribe3D微纳加工技术具有微型化和轻便特性的非球面微透镜则可以轻松解决这类问题。科学家们对该非球面微透镜阵列在两种类型的半导体发射器上的性能已得到验证：自组装量子点（QDs）和新型准二维材料制成的范德华异质结构（van der Waals heterostructures）。

3D微纳加工技术应用于微透镜阵列

Nanoscribe的双光子微纳3D打印设备具有极大设计自由度的特点，因此可以轻松制作出具有光学质量表面的各种光学元件，例如球形，非球形甚至自由曲面的微透镜。此外，Nanoscribe的3D微纳打印设备速度很快，在短时间内即可以实现在样品上打印数百个微透镜，并按规则或随机排列阵列，用来实现微透镜阵列的不同新功能及应用。

相关文献：

"Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses" - Nature ：Light：Science & Applications

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0284-1

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