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    新加坡科學家3D打印多層消色差超透鏡,基于雙光子聚合技術

    編輯:匯合創3d打印 更新時間:2024-01-16 瀏覽次數:295

    來自新加坡科技設計大學的材料科學家利用突破性的 3D 打印方法,在實現高數值孔徑、寬帶和偏振不敏感的多層消色差超透鏡 (MAM) 方面取得了重大進展。

    相關研究以題為“3D-printed multilayer structuresfor high–numerical aperture achromatic metalenses/用于高數值孔徑消色差超透鏡的 3D 打印多層結構”的論文被發表在《Science Advances》期刊上,由Cheng-Feng等人聯合撰寫。

    論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9262

    超透鏡在微觀和宏觀尺度上的最新進展顯示出實現卓越成像性能的前所未有的潛力,在光場成像、生物分析、醫學、半導體和量子技術等領域得到了應用。特別是,消色差透鏡表現出寬帶響應,能夠捕獲顏色信息,從而擴展了光子器件的設計可能性和應用場景(1-12)。超緊湊、超薄和輕量等理想特性使超透鏡在成像系統中引人注目 (13-19)。然而,大多數超透鏡采用高折射率 (HRI) 材料進行圖案化,由于強光限制,這些材料可以提供良好的光學控制,但色散很高,這使得寬帶實現具有挑戰性。

    傳統上,平面光學器件在平衡數值孔徑和帶寬限制方面面臨挑戰,從而限制了其成像性能。為解決上述問題,來自新加坡科技設計大學的研究團隊提出了一種設計高數值孔徑、寬帶和偏振不敏感的多層消色差超透鏡(MAMs)的新方法。研究人員采用拓撲優化和全波長模擬,利用雙光子光刻進行超透鏡的逆向設計。我們成功制備了直徑為20微米的MAMs,在可見光范圍內(400至800納米)實現了0.5和0.7 NA,效率高達42%。結果展示了所制備MAM在白光和RGB窄帶照明下的寬帶成像性能,這些結果突顯了3D打印多層結構在實現寬帶和多功能元器件逆向設計方面的潛力。

    △不同單透鏡和多層透鏡的消色差性能。(A) 設計師 3D 打印多層消色差超透鏡 (MAM) 的示意圖。(B) 單層和多層的傳統和平面光學透鏡 [包括菲涅爾透鏡、多級衍射透鏡 (MDL) 和超透鏡] 的示意圖。(C) 添加附加層時,波長為 400、533 和 800 nm 時焦點的演變(結果來自 0.5-NA MAM 的優化三層設計)。(D) 各種消色差超透鏡的效率、數值孔徑和帶寬(在可見光波段工作)(表 S1 和 S2 中的詳細信息)(2,3, 13, 15, 16, 25, 28, 47, 51–55 )。顏色條和標記尺寸代表定義為效率、NA 和帶寬平方和的平方根的數字或優點?;疑矫姹硎編?= 300 nm 和 NA = 0.35 時的先前限制。圖例中說明了每種超透鏡的 NA 值。

    這一突破在于應用納米級 3D 打印來克服與多層消色差超透鏡相關的制造挑戰。該技術可以快速制作復雜結構的原型,包括復雜的微透鏡和梯度折射率透鏡。拓撲優化發揮了至關重要的作用,有效地實現了穩定、多層和高分辨率的結構。

    多層消色差超透鏡表現出無與倫比的效率。通過消除色差,這些超透鏡為設計和制造多功能寬帶光學元件提供了新的范例。這種創新方法為光場成像、生物分析、醫學和量子技術的應用開辟了途徑。

    △所制造的 MAM 的傾斜視圖 SEM 圖像:(i)解構的 MAM,顯示單層、雙層和三層(全層);(ii) 完整 MAM 的放大視圖;(iii) MAM 的俯視圖和尺寸;(iv 和 v) MAM 剖面圖,揭示了200 nm 寬環結構的內部結構和細節。(圖片來源:Cheng-Feng 等人)

    展望未來,該研究預計將更高分辨率的 3D 打印方法與高折射率樹脂相結合,以進一步提高系統的性能。這一進步可以將響應范圍從可見光譜擴展到近紅外或中紅外范圍,從而有助于開發復雜的多功能光學系統。

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