斯图加特大学：保形低温热原子层沉积（ALD）为3D打印镜片提供抗反射涂层

导读：3D打印微型光学器件已成为制造亚毫米级光学器件的一种极为强大的制造方法。在光学系统中，每次光通过透镜-空气边界时，都会因反射而损失少量光能。这种现象在多镜头系统中尤为明显，因为损耗会迅速增加，因此如果我们想保持图像质量，防反射涂层是必不可少的。3D打印的复杂微观光学系统是通过一次打印成型的，而不是制造几个零件然后被组装起来的。这就无法用传统的涂层方法，如溅射或定向等离子体蚀刻，对各个镜片进行防反射涂层，因为以上这些定向涂层无法直接到达各个镜片之间的空隙。那么如何为3D打印的光学系统进行防反射涂层呢？

2022年4月，南极熊获悉，斯图加特大学的研究者们在《Optical Materials Express》上发表了一项题为《Atomic layer deposition of conformalanti-reflective coatings on complex 3D printed micro-optical systems》（《复杂的3D打印微观光学系统上的共形抗反射涂层的原子层沉积》）的研究。研究人员通过保形低温热原子层沉积（ALD）方法来解决了上述问题，让我们看看他们具体的研究内容吧！



双光子聚合中使用的树脂通常在高达 200°C 的温度下保持稳定，因此该团队试图开发一种仅在 150°C 下工作的 ALD 技术。研究通过原子层沉积（ALD），使用PICOSUN R-200高级系统在3D打印的光学系统上形成防反射涂层。他们设计的抗反射 (AR)涂层由四层交替的二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2）组成。涂层厚度（17 nm TiO2, 44 nm SiO2, 27 nm TiO2, 109 nm SiO2）必须精确调整到设计值，以确保反射率达到要求。该涂层是用软件工具Essential Macleod设计和优化的，中心波长为550纳米，垂直入射。通常情况下，4%的入射光线在每个界面上被反射，8%的光由于反射而损失。AR涂层可以将可见光波段的主要部分的总反射损失降低到<1%。


（a)AR镀膜设计 (b) 通过无涂层和AR涂层透镜的说明 (c) 有涂层的硅参考晶片的劈裂面的扫描电子显微镜图像(d) 原子层沉积

低温 ALD 技术
低温 ALD 技术的工作原理是将 3D 打印部件暴露在含有分子前体的气体中，从而形成抗反射涂层。由于气体分子可以自由移动和扩散，它们可以渗入复杂结构的空腔和悬垂部分，成功地形成均匀的薄涂层。通过改变前体气体和沉积额外的层，可以微调涂层的厚度、折射特性和反射特性，以创建定制的 3D 打印镜片。该团队使用一组3D打印在的微型镜头样品测试了他们的ALD涂层方法。结果表明，涂​​层能够起到作用，将平面基底在可见波长下的宽带反射率降低到1% 以下。



△平面基底上的AR涂层。(a) 无涂层的玻璃基底和有一个和两个AR涂层表面的基底的反射率测量。(b) 有涂层和无涂层的3D打印平面结构的反射率。

测试
研究人员对不同的3D打印测试结构进行了透射测量。他们发现，通过AR涂层，六个界面的透射率从74%～90%提高到90%。


△透射测试样品。(a) 整体厚度相同的3D打印聚合物块组。右下角为样品在525纳米处的透射光图像。(b)和(c)在525纳米处通过不同数量的无涂层和有AR涂层的聚合物块的归一化传输。X轴为沿聚合物块的最长边缘。(d)AR涂层和未涂层的聚合物块的平均传输。

最后研究人员将我们将AR涂层与双透镜成像设计相结合，进行分辨率测试，结果表明，与无涂层的透镜相比，其整体强度增加了20%。


△双透镜成像系统和分辨率测试结果


△带有和不带有抗反射涂层的3D打印微透镜

展望未来，研究人员相信他们还可以调整工艺，将其他薄膜（如彩色滤光片）直接沉积到 3D 打印微透镜上。该论文的第一作者 Simon Ristok 指出，这首次将 ALD 应用于制造 3D 打印复杂微光学器件的抗反射涂层的研究，这种方法可用于制造新型极薄的内窥镜设备，它还可用于制造用于自动驾驶汽车的微型传感器系统或用于增强/虚拟现实设备（如护目镜）的高质量微型光学器件。


原文链接：https://doi.org/10.1364/OME.454475