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美德科学界两大突破:识别玻璃的纳米级缺陷,3D打印微透镜
2021-05-29 13:13:18   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

研究人员首次通过光谱学技术揭示了因纳米级磨损和损伤导致的石英玻璃亚表面结构变化,这项研究成果有望改善汽车挡风玻璃和电子显示器等玻璃产品。

据麦姆斯咨询报道,研究人员首次通过光谱学技术揭示了因纳米级磨损和损伤导致的石英玻璃亚表面结构变化,这项研究成果有望改善汽车挡风玻璃和电子显示器等玻璃产品。

美国宾夕法尼亚州立大学著名化学工程学教授、该研究的共同主要作者Seong Kim在Acta Materials上发表文章:“我们小组的主要研究领域之一是玻璃表面科学,主要指玻璃的性质、结构与机械、化学特性之间的关系,特别是机械耐久性和化学耐久性。”

红外光束可以揭示对玻璃有害的纳米级缺陷和损伤

红外光束可以揭示对玻璃有害的纳米级缺陷和损伤

“我们一直使用的技术之一是振动光谱学。但是,玻璃表面纳米级结构分析所面临的挑战是人们广泛使用的许多光谱技术并不适用。”Kim说。

红外光谱检测表面缺陷存在一定的局限性。如果玻璃表面的缺陷尺寸小于10μm,低于红外光谱波长(10μm),则无法对其进行正确分析或成像。研究人员使用的拉曼光谱等分析技术的空间分辨率更好,但仍不足以进行纳米级结构分析。

Kim的团队希望开发一种技术,能发现玻璃表面发生的纳米级凹痕。在研究中,他们用一个微小的尖端使玻璃表面产生深度为几百纳米、宽度为一两微米的凹陷。

识别运输对玻璃造成的损伤

据研究人员称,一个很好的例子是由康宁制造的大猩猩玻璃,主要用作如手机等电子产品的显示屏,最近也用于汽车和飞机挡风玻璃。这种玻璃出厂时非常坚固,但当它到达客户那里时坚固度却变弱了。

当Kim的团队将玻璃表面制造出微小的凹痕时,他们想知道由于玻璃损坏,凹痕内和凹痕周围发生了怎样的结构变化。“因此,由于凹痕的最大尺寸只有几微米,我们需要有高度空间解析能力的红外光谱技术来对此进行描述。”Kim说。

为了克服上述挑战并识别玻璃的损伤,Kim联系了其同事、宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学前沿教授Slava V. Rotkin,使用了一种称为“近场超光谱光学制图”的新仪器技术。该技术使用德国纳米级成像和光谱仪器公司Neaspec制造的散射扫描近场光学显微镜,既能提供光学光谱分辨率,也能提供高空间分辨率。

Rotkin说:“直到最近,类似Seong Kim所做的研究要么是间接的,因为你无法真正对纳米级事件进行成像,要么会触及原子或分子等物理物质,而不是光学特性。”因此,Rotkin选用的仪器非常独特,可以在极小的尺度上进行光学研究,这在过去是不可能实现的。

“Seong Kim的学生在玻璃制造出划痕,”Rotkin说。“然后就能看到划痕,这很有趣,也很明显。这样就像在森林中砍伐一些树木。当树木被砍伐时,可能会把灌木推倒在地,由于一些损害会出现导致树叶颜色的改变。”

3D打印复杂微光学元件,提高成像性能

在相关开发中,研究人员已经表明,3D打印可用于制造高度精确和复杂的微型镜头,其尺寸只有几微米。微透镜在成像过程中可以纠正颜色失真,方便小型和轻型摄像头用于各种应用。

微型消色差透镜可以纠正成像过程的颜色失真

微型消色差透镜可以纠正成像过程的颜色失真

德国斯图加特大学研究小组成员Michael Schmid表示:“3D打印复杂微光学元件技术的能力,意味着可以直接在许多不同表面上制造,例如数码相机中的CCD图像传感器或CMOS图像传感器。微光学元件也可以打印在光纤末端,实现非常小的医学内窥镜,成像质量卓越。”这项研究工作成果已经发布于Optics Letters。论文链接:https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-10-2485。

在论文中,由Harald Giessen领导的研究小组详细介绍了他们如何使用一种称为“双光子光刻”的3D打印来制造结合折射表面和衍射表面的透镜。论文中展示了如何结合不同材料提高透镜的光学性能。

Schmid说:“在过去几年中,微光学元件的3D打印技术已经有了显著改进,并提供了其他方法所无法赋予的设计自由。我们是3D打印复杂微光学元件优化方法为创造更多创新光学设计提供了许多可能性,并让许多研究领域和应用受益。”

突破3D打印极限

双光子光刻利用聚焦激光束固化或聚合液体光敏材料(即:光刻胶)。被称为双光子吸收的光学现象使体积为立方微米级别的光刻胶完成聚合,从而制造出复杂的微米级光学结构。

在过去的十年里,研究小组一直在研究和优化用双光子光刻制造的微光学元件。Schmid说:“我们注意到,用微光学元件创建的一些图像中存在称为色差的颜色误差,因此我们着手设计改进了3D打印透镜的光学性能,以减少色差。”

新透镜的测试结果展示:参考镜头(左图)出现由于色差造成的彩色接缝。3D打印的消色差透镜(中图)大幅消除了色差问题,而消色差透镜(右图)拍摄的图像则完全消除了颜色失真。

新透镜的测试结果展示:参考镜头(左图)出现由于色差造成的彩色接缝。3D打印的消色差透镜(中图)大幅消除了色差问题,而消色差透镜(右图)拍摄的图像则完全消除了颜色失真。

研究人员设计了用于纠正色差的传统透镜的微型版本。从消色差透镜开始,他们将该透镜结合折射元件和衍射元件,将两种波长聚焦于同一平面,从来限制色差带来的影响。研究人员使用NanoScribe公司制造的市售双光子光刻仪器,在打印的平滑折射透镜上一次性实现衍射表面。 

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