LAM | 3D打印浸没式微光学器件

导读

微型光学器件在生物医学传感、光子集成电路等领域展现出巨大的应用潜力。 然而，传统的光学元件体积较大，且成本较高，限制了其在微型化设备中的应用。3D打印技术为制造微型光学器件带来了新的希望，但如何确保这些微器件在不同折射率液体环境中稳定工作，一直是研究人员面临的挑战。近日，德国斯图加特大学Andrea Toulouse博士等人以“3D-printed immersion micro optics”为题发表于Light: Advanced Manufacturing的最新研究，为解决这一难题带来了突破！

研究团队开发了一种创新的微流体密封技术，成功实现了与单模光纤尺寸相当的3D打印微光学器件在液体环境中的应用。 这种技术就像为微器件穿上了一层“保护衣”，有效防止了液体浸入，保证了其光学性能的稳定。

微光学器件一体化成型

传统的微光学器件制造通常需要经过多个步骤，包括各个光学元件的精确对准、复杂的制造工艺以及精密的封装等。这些步骤不仅耗时耗力，而且容易引入误差，降低器件的良品率。为了克服这些挑战，研究团队利用飞秒激光双光子聚合技术，实现了微型光学器件的一体化成型。团队将双合透镜（含4个光学面，图1a中的S1-S4）和微流体通道精准雕刻成光学系统部分仅125微米的“光学探针”。这种一体化成型的设计，显著简化了制造流程，避免了传统方法中元件对准和封装带来的误差，实现了光路与封装结构的紧密结合，从而大幅提高了器件的良品率。图1b展示了这种三维微纳光学器件的成型结构，并通过X射线显微图像清晰地显示了其优异的无缝封装效果。这种无缝封装对于保证器件在液体环境中的稳定性和光学性能至关重要。

图1：浸入式微光学系统的设计与成型效果

微流道密封实现稳定光学环境

通常使用微纳3D打印技术制造的光刻胶透镜，在不同的液体环境中难以保持一致的光学性能。如图2a所示，在水环境中，由于水和光刻胶的折射率非常接近，透镜的聚焦能力会显著减弱，导致透镜表面几乎“失效”。为了解决这个问题，研究团队巧妙地为光学器件设计并穿上了一层“空气铠甲”。 具体来说，他们在封装结构上设计了微米级的微流体通道。在激光三维成型之后，通过显影液去除空腔内部残留的未固化光刻胶，从而形成一个空腔。随后，利用微孔道的毛细作用，将新的紫外固化树脂吸入微流体通道。紫外光固化后，通道被光刻胶密封，空腔内形成永久密封的空气层。这样一来，透镜的关键光学表面S2和S3始终与空气接触，保证了折射率差维持在Δn≈0.5，从而实现了对聚焦能力的稳定控制。这种微流体密封技术是该研究的核心创新之一，它有效地解决了3D打印微光学器件在液体环境中应用的关键难题。

图2：聚焦模式分析与结构成型示意图

高性能液体浸没光学成像

为了验证所提出的制造方法的有效性，研究人员进行了详细的实验测试。如图3a所示，他们搭建了一个实验装置，对制造出的微光学器件在不同液体环境中的成像性能进行了测量。实验结果表明，这种新型微光学器件在水（n=1.33）、硅油（n=1.4）、高折射率浸油（n=1.52）等多种具有不同折射率的液体中，均表现出优异的成像质量。 为了更精确地评估成像性能，研究人员还量化了点扩散函数（PSF）。实验结果显示，在各种液体环境中，微光学器件的有效焦点都达到了衍射极限，这表明其成像性能非常接近理论上的最佳水平。这一结果充分证明了该研究提出的微流体密封技术能够有效地保证3D打印微光学器件在液体环境中实现高性能的成像。

图3：不同液体环境下微光学器件测试效果

总结与展望

这项研究中提出的微流体密封技术，不仅解决了3D打印微光学器件在液体环境中应用的难题，也为未来开发更多功能化、集成化的微型光学器件奠定了基础，未来我们可以利用更加微小的设备，在狭小的血管内进行原位无损的医学诊断，或者实现光子芯片之间更高效的信息传输。

图4：微光学器件在生物传感与集成光学中的应用潜力