3D列印鏡頭允許超長距離顯微觀察

波蘭華沙大學的研究人員利用鐳射直接書寫（DLW）3D列印技術設計出了微米大小的鏡片。這種3D列印的透鏡可以在各種材料上製作，包括易碎的石墨烯類材料。

位於物理系的研究團隊解釋說，這種透鏡可以取代之前需要的笨重的顯微鏡目標，而這些目標是執行單個奈米大小的發光體（如量子點或原子薄的2D材料）的光譜測量所需的。

此外，這些笨重的顯微鏡必須放置在離待分析樣品約十分之一英寸的距離，這可能會對許多型別的現代實驗造成限制。研究人員表示，擬議的3D列印鏡頭，將鏡頭正面與樣品表面之間的工作距離增加了兩個數量級以上。這有可能為一類廣泛的光學實驗開闢了新的前景。

3D列印的非球面微透鏡的掃描電子顯微鏡影象 照片由華沙大學提供

利用3D列印技術生產微透鏡

研究人員透過解釋說，商業化的3D印表機一直在經歷著快速發展，這與它的相容材料，包括高光學質量的透明介質在內的相容材料相吻合。研究人員表示，3D列印技術與此類材料並駕齊驅，為生物、醫學、超材料研究、機器人技術和微光學等諸多科技領域開闢了新的可能性。

在展示其在光的提取和傳遞方面的應用時，論文的作者解釋說，他們已經開發出了高效的橢圓微透鏡，可以在發光體的頂部3D列印。這些透鏡被作者們描述為 “簡單、經濟有效、寬頻、通用性強，並與其他廣泛需要的微光學系統的元件相容”，同時還可以在沒有高數值孔徑光學器件的情況下執行。

為了製造這種可以在各種樣品上製造的透鏡，該團隊選擇了使用DLW 3D列印工藝，論文中稱其為 “一種能夠列印幾乎任何形狀的透鏡的多功能技術”。DLW也被稱為雙光子3D光刻技術，這是一種能夠生產任意3D奈米結構的工藝。

這樣的技術由德國雙光子快速成型製造系統製造商Nanoscribe公司提供。去年，該公司推出了量子X，專門用於製造奈米尺寸的折射和衍射微光學器件，其尺寸可以小到200微米。

2019年底，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和香港中文大學的研究人員在雙光子快速成型製造方面取得了突破性進展，在限制犧牲解析度的同時，加快了該技術的製造速度。

量子X機器上3D列印的微透鏡陣列 圖片來源：Nanoscribe

超長工作距離光譜技術的優點

作者提出的3D列印透鏡的一個關鍵屬性是，它能夠增加對半導體樣品發出的光的提取，並將其發出的部分重塑成超窄光束。由於這一特性，研究人員解釋說，這種透鏡可以幫助消除執行單點狀發光體的光學測量所需的笨重的顯微鏡。該論文作者表示，3D列印的微透鏡還可以實現長工作距離的光學測量（1英寸的採集透鏡可以達到600毫米），這是迄今為止其他分光鏡技術無法達到的。

通常情況下，標準的分光顯微鏡測量的尺寸大致為手掌大小，重達一磅（半公斤），而且必須放置在與樣品的距離非常小的地方。當試圖在脈衝高磁場、低溫或微波腔內進行測量時，這可能會帶來一些問題，另一方面，研究團隊提出的3D列印鏡頭可以很容易地將其抬起來。

此外，DLW 3D列印工藝的高速能力意味著可以在一個樣品上製作出數百個微型透鏡，這有助於實現更多的時間效率研究和假設測試。“將它們排列成規則的陣列提供了一個方便的座標系統，可以準確地指定所選奈米物體的位置，並允許在全球不同的實驗室進行多次測量，”研究人員解釋說。

該研究論文《用非球面固體浸入式微透鏡對單個奈米結構的超長工作距離光譜分析》發表在《Light： 科學與應用》，9，1（2020）（https：//doi。org/10。1038/s41377-020-0284-1）。作者：Bogucki， A。， Zinkiewicz， 。， Grzeszcz

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