非球面透镜

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 & Applicationshttps://www.nature.com/articles/s41377-020-0284-1更多有关双光子微纳3D打印产品和技术应用咨询，欢迎联系Nanoscribe中国分公司 - 纳糯三维科技（上海）有限公司 德国Nanoscribe 超高精度双光子微纳3D打印系统： Photonic Professional GT2 双光子微纳3D打印设备 Quantum X 双光子灰度光刻微纳打印设备

近日，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所天文与空间镜面技术研究室加工完成一块2.5米口径非球面镜面。该镜是南京天光所目前研制完成的最大单口径镜面，也是近年来继云南天文台太阳望远镜2米环形主镜、云南大学多通道望远镜1.6米主镜之后的又一件大型非球面镜面。 　　在该镜加工过程中，科研人员以垂直检验塔和原4米龙门机床作为结构基础构建了加工/检测一体化平台，可实现在位检测，并解决了大镜面、长光程光学检测中的多项技术难点。 　　该镜全程采用自主研发的双机器人数控研抛站进行加工。该室的镜面数控研抛课题组多年来独立开展相关技术研究，在南京天光所承担的各类横纵向课题的大量镜面加工任务中发挥关键作用。本次为应对2.5米口径的特大镜面，课题组在已有的技术基础上，进一步发展了双机器人协作研抛技术和小尺度误差局部修抛技术，分别使特大口径镜面在研抛加工前中期和后期的效率大幅提升。该2.5米非球面镜最终面形精度RMS值达到1/45波长即14nm，优于设计指标1/40波长。相关技术已申报多项发明专利，其中一项已获得授权。 　　该镜与较早时间的2米主镜、1.6米主镜的完成，标志着南京天光所已建成成熟的大口径非球面镜面研制平台，具备2.5米及以上镜面的高效研制能力，相关的加工、检测技术达到国内先进水平。2.5米镜面加工/检测平台(左)及最终加工面形条纹图(右)

近日由我所空间室承担的某离轴三反相机桌面样机顺利通过模拟实验，其中采用的光学非球面为我所先进光学加工与检测中心研制，该项工作从非球面光学系统的设计、光学冷加工到光学系统的计算机辅助装调技术都由我所独立完成。实现了我所离轴非球面光学系统制造的完整链条。　　该相机的主镜、三镜反射面均为二次曲面且离轴量大，面形误差要求高，加工技术难度较大，尤其是第三镜为一个相对孔径较大的扁球面。光学加工过程中项目组每一位同志充分发挥勇于挑战，不畏艰难的精神，展开非球面加工的技术攻关。项目组以传统的经典加工工艺为基础，在探索中前进，一步步由传统方法迈向先进的技术方法。经多次方案论证，确定了加工工艺，并严格按照工艺要求进行加工，同时针对加工过程中出现的问题及时完善工艺。项目组历经数月加班加点的艰苦奋斗，最终圆满完成了该系统的加工任务。产品面形精度达到了1/50λ，超出了设计要求，同时也填补了我所扁球面光学加工技术的空白。另外在装调中应用了计算机辅助装调技术，相机在模拟成像实验中，鉴别率板经相机成像，在可见光波段实现了高分辨率成像，同时利用光电子室提供的紫外MCP器件在紫外波段也获得了优异的成像结果。　　该项目的圆满完成，标志着我所在离轴三反光学系统先进制造技术上取得了突破，集空间室与光电子室的研制成果为一体，提升了我所在紫外探测方面的整体实力。