《Nature Communications》：使用3D納米打印優(yōu)化玻璃纖維，可校正光學像差

南極熊獲悉，來自韓國、澳大利亞、英國和德國的跨學科研究團隊  在萊布尼茨光子技術研究所 (Leibniz IPHT) 中首次利用3D打印優(yōu)化光學玻璃纖維，使得不同波長的光可以非常精確地聚焦。這種精度水平是通過3D納米打印光學透鏡實現(xiàn)的，該光學透鏡可以應用于光纖末端。這為顯微鏡和內窺鏡以及激光治療和傳感器技術的應用開辟了新的可能性。



他們的研究內容已于2022年7月發(fā)表在了《Nature Communications》上，題目為《An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range》（《一種用于在整個電信范圍內聚焦和成像的消色差超光纖》）。

研究背景
目前用于醫(yī)療診斷的內窺鏡檢查的光纖端面的透鏡具有色差。這種光學成像誤差（由于不同波長的光，即不同的光譜顏色，其形狀和折射不同）導致焦點偏移，從而導致在很寬的波長范圍內成像模糊。消色差透鏡可以最大限度地減少這些光學像差。

消色差透鏡，即所謂的超透鏡，它安裝在光纖的末端，可以通過景深成像對微小細節(jié)進行聚焦和成像。萊布尼茨光纖光子學系主任 Markus Schmidt 教授解釋說：“為了實現(xiàn)理想的光整形和消色差聚焦，目前我們實現(xiàn)了一種基于聚合物的超薄透鏡，它由具有納米柱的復雜設計組成，由3D打印制作。該結構可以直接安裝在商業(yè)光纖端面上。通過這種方式，可以對光纖進行功能化處理，使光可以非常有效地聚焦在焦點上，并可以生成高分辨率的圖像。”


△用于消色差聚焦和成像的消色差超光纖的原理

研究成果
●此次研究人員使用3D打印優(yōu)化光學玻璃纖維。 通過3D納米打印制造可以安裝于光纖末端的光學透鏡。透鏡直徑為100微米，數(shù)值孔徑 (NA) 為 0.2，與以前在光纖端面使用的消色差透鏡相比，該值顯著提高，從而實現(xiàn)了更好的分辨率。

●該鏡頭可以校正光學像差，并且可以非常精確地聚焦紅外范圍內光譜帶寬為 400 納米的光。單個納米柱具有不同的高度，從 8.5 到 13.5 微米不等，這使得不同波長的光可以聚焦在一個焦點上。

研究過程
在實驗研究中，研究人員能夠以基于光纖的共焦掃描成像證明已開發(fā)光纖的透鏡和聚焦效率，他們使用具有消色差超光學的光纖，該團隊通過高圖像采集獲取了圖像質量效率和不同波長下的高圖像對比度。測試結果表明，即使在不同的波長下，焦點位置也幾乎保持不變。


△三維納米打印消色差異向光纖的聚焦性能

研究展望
Markus Schmidt 教授指出，由于此次開發(fā)的納米結構超透鏡非常小且扁平，這種頂部帶有消色差光學器件的光纖設計為進一步推進基于光纖技術的小型化和柔性內窺鏡成像系統(tǒng)提供了潛力，并能夠實現(xiàn)更溫和的微創(chuàng)檢查。除了這一主要應用領域外，研究人員指出這種器件還能在激光輔助治療、光纖通信和光纖傳感器技術領域中應用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31902-3