《Nature Communications》：使用3D纳米打印优化玻璃纤维，可校正光学像差

南极熊获悉，来自韩国、澳大利亚、英国和德国的跨学科研究团队  在莱布尼茨光子技术研究所 (Leibniz IPHT) 中首次利用3D打印优化光学玻璃纤维，使得不同波长的光可以非常精确地聚焦。这种精度水平是通过3D纳米打印光学透镜实现的，该光学透镜可以应用于光纤末端。这为显微镜和内窥镜以及激光治疗和传感器技术的应用开辟了新的可能性。



他们的研究内容已于2022年7月发表在了《Nature Communications》上，题目为《An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range》（《一种用于在整个电信范围内聚焦和成像的消色差超光纤》）。

研究背景
目前用于医疗诊断的内窥镜检查的光纤端面的透镜具有色差。这种光学成像误差（由于不同波长的光，即不同的光谱颜色，其形状和折射不同）导致焦点偏移，从而导致在很宽的波长范围内成像模糊。消色差透镜可以最大限度地减少这些光学像差。

消色差透镜，即所谓的超透镜，它安装在光纤的末端，可以通过景深成像对微小细节进行聚焦和成像。莱布尼茨光纤光子学系主任 Markus Schmidt 教授解释说：“为了实现理想的光整形和消色差聚焦，目前我们实现了一种基于聚合物的超薄透镜，它由具有纳米柱的复杂设计组成，由3D打印制作。该结构可以直接安装在商业光纤端面上。通过这种方式，可以对光纤进行功能化处理，使光可以非常有效地聚焦在焦点上，并可以生成高分辨率的图像。”


△用于消色差聚焦和成像的消色差超光纤的原理

研究成果
●此次研究人员使用3D打印优化光学玻璃纤维。 通过3D纳米打印制造可以安装于光纤末端的光学透镜。透镜直径为100微米，数值孔径 (NA) 为 0.2，与以前在光纤端面使用的消色差透镜相比，该值显着提高，从而实现了更好的分辨率。

●该镜头可以校正光学像差，并且可以非常精确地聚焦红外范围内光谱带宽为 400 纳米的光。单个纳米柱具有不同的高度，从 8.5 到 13.5 微米不等，这使得不同波长的光可以聚焦在一个焦点上。

研究过程
在实验研究中，研究人员能够以基于光纤的共焦扫描成像证明已开发光纤的透镜和聚焦效率，他们使用具有消色差超光学的光纤，该团队通过高图像采集获取了图像质量效率和不同波长下的高图像对比度。测试结果表明，即使在不同的波长下，焦点位置也几乎保持不变。


△三维纳米打印消色差异向光纤的聚焦性能

研究展望
Markus Schmidt 教授指出，由于此次开发的纳米结构超透镜非常小且扁平，这种顶部带有消色差光学器件的光纤设计为进一步推进基于光纤技术的小型化和柔性内窥镜成像系统提供了潜力，并能够实现更温和的微创检查。除了这一主要应用领域外，研究人员指出这种器件还能在激光辅助治疗、光纤通信和光纤传感器技术领域中应用。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31902-3