近日，來自德國斯圖加特大學(xué)（University of Stuttgart）的研究人員以前所未有的性能和可重復(fù)性展示了一種微米尺度的光學(xué)3D打印技術(shù)——飛秒激光寫入（femtosecond laser writing）。據(jù)悉，他們的這一技術(shù)可以在微米或者更小的尺度上創(chuàng)建幾乎任何類型的集成光學(xué)元件，可以幫助 實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的小型化，并使其用于傳感或者電信方面的應(yīng)用。

在光學(xué)學(xué)會（Optical Society）旗下的研究雜志《Optica》中，研究人員報(bào)告稱他們使用這種技術(shù)在一根只有125微米直徑（相當(dāng)于人類的頭發(fā)直徑）的光纖中心直接制造了一個(gè)只有4.4微米小的光學(xué)元件。

“雖然飛秒激光寫入技術(shù)目前還只在實(shí)驗(yàn)室里得到了驗(yàn)證，但是我們已經(jīng)表明，它可以以一種高度可重復(fù)而且可靠的方式制造高性能的微型光學(xué)器件。”該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Harald Giessen教授稱：“我們相信我們的方法可以擴(kuò)展至批量生產(chǎn)，用于在小尺度上直接打印任何類型的光學(xué)元器件，從而為集成微米或者納米光學(xué)開辟了一個(gè)新時(shí)代。”

據(jù)了解，這種飛秒激光寫入技術(shù)主要使用一種波長非常短的激光選擇性地硬化光敏材料。該材料只在激光聚集的一個(gè)很小的3D區(qū)域里硬化，而未硬化的材料隨后會被沖走，留下創(chuàng)建好的3D結(jié)構(gòu)。

盡管在世界各地有許多實(shí)驗(yàn)室都有自己的3D激光寫入系統(tǒng)，但是這些家庭自制的系統(tǒng)往往對環(huán)境條件和激光源的變動比較敏感，因此不能可靠地創(chuàng)建高質(zhì)量的微型光學(xué)器件。為了克服這些問題，研究人員們使用了市場上的一款雙光子3D激光光刻系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由Nanoscribe公司開發(fā)的，可以用來創(chuàng)建納米級的結(jié)構(gòu)，十分穩(wěn)定、可靠。

 “簡單地說，我們有個(gè)東西像筆一樣，可以在某種材料里以3D的方式移動并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，它的制造方式很像一臺3D打印機(jī)，只不過是在非常微小的尺度上。”Giessen解釋說：“而且它的可重復(fù)性也很好，如果你向不同的系統(tǒng)輸入同一組參數(shù)，得到的結(jié)果會完全相同，甚至在一個(gè)月后輸入，它的結(jié)果也會完全相同。”

那么這種技術(shù)目前有什么具體應(yīng)用呢？研究人員介紹稱它可以用來創(chuàng)建光纖末端相位掩模板。通常情況下，光離開光纖末端的時(shí)候是服從高斯分布的，也就是說，它中間亮邊緣暗。而研究人員可以借助相位掩模使其亮度均勻分布，或者形成特定的形狀。

“由于該相位掩模是如此之小，而且又是在光纖端面上直接創(chuàng)建，因此稍有一點(diǎn)偏差機(jī)會使產(chǎn)生的形狀出現(xiàn)偏差。”Giessen稱：“我們解決了最困難的問題之一︰可重復(fù)地將一個(gè)亞微米級精度的相位掩模直接放置在了單模光纖的中心。”

實(shí)際上，采用激光直寫的方法可以有多種方式創(chuàng)建光學(xué)元件。而研究人員們發(fā)現(xiàn)，無論是從中心開始一環(huán)一環(huán)地創(chuàng)建相位掩模還是從底部直接逐層創(chuàng)建，都能夠生成高質(zhì)量結(jié)構(gòu)。

據(jù)悉，由研究人員創(chuàng)建的相位掩膜有許多潛在的應(yīng)用。比如，可以用于很小的內(nèi)窺鏡的照明、產(chǎn)生環(huán)狀的光并投放在一種液體中作為光陷阱來捕獲粒子或者細(xì)胞等，Lihong Wang稱，他是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者。