چاپگرهای سه‌بعدی، میکرولنزی با قابلیت تنظیم ضریب‌شکست پدید آوردند

 

قرن‏هاست که دانشمندان یافته‌اند که  چگونه با کنترل هندسه و ضریب‌شکست لنزها می‌توان نور را کانونی و از آن بهره‌گیری کرد. پل وی. براون^[1] و همکارانش از دانشگاه ایلینوی و مارک ال برانگرزما^[2] همراه یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه استنفورد، به بازنگری اپتیک کلاسیک در مقیاس میکرون و ساخت لنزهایی با ضریب‌شکست قابل‌ تنظیم در سه بعد، پرداختند.

 تکنیک ساخت جدید آن‌ها، ضریب‌شکست زیرسطحی قابل کنترل از طریق قرار گرفتن در معرض پرتو (SCRIBE)^[3] نام گرفته است که از نگارش لیزری مستقیم ^[4](DLW)  درون یک داربست متخلخل استفاده می‌کند، جایی که در آن ضریب‌شکست یک پلیمر مقاوم در برابر نور، با قرار گرفتن در معرض تابش لیزر در هنگام چاپ، به‌طور فضایی تنظیم می‌شود.

این روش برای تولید کوچک‌ترین لنز کروی Luneburg جهان – لنز ویژه‌ای با نمایه ضریب‌شکست شعاعی منحصربه‌فرد- که می‌تواند در طول موج های نور مرئی کار کند، استفاده شد. این گروه توانستند خصوصیات اپتیکی و هندسی را با دقت زیر میکرون کنترل کنند. این سازه  نه تنها یک ساختار بسیار کوچک )قطر 15 میکرومتر) است، بلکه نور را به روشی کانونی می‎کند که نمی‎توان با المانهای نوری تک ضریب‌شکستی، به آن دست یافت. گدارد^[5] یکی از اعضای این تیم در بیان این خبر گفت: «با داشتن کنترل بر ضریب‌شکست داخلی و شکل‌دهی لنز در هنگام ساخت، ما به دو روش مستقل برای خم کردن نور در داخل یک لنز دست یافته‎ایم.» براساس گزارش منتشر شده در شماره جدید light science & [i]application، این روش جدید لیتوگرافی، به کنترل هندسه و ضریب‌شکست عدسی در سه بعد دست یافته است. چیزی که قبلاً با روش معمول نگارش لیزری مستقیم (DLW)، غیرقابل دستیابی بود. علاوه بر این، کنترل این تکنیک بر روی ضریب‌شکست، براساس درصد منافذ مواد پر شده با پلیمر و فاصله بین واکسل‎های ماده است. واکسل‌ها واحدهای فضای سه‌بعدی محسوب می‌شوند. دو فیلم سیلیکون متخلخل (PSi) و دی‎اکسید سیلیکون (PSiO2)، به‌عنوان مواد متخلخلی که لنزها در آن چاپ می‌شود مورد استفاده قرار گرفتند.

تصویر سه‌بعدی چند فوتونی از یک موجبر U شکل زیرسطحی چاپ شده در SiO2 متخلخل جفت‌شده با یک تشدیدگر حلقه‌ای میکرومتری، با پورت‌های جفت‌شده با جابه‌جایی 250 میکرومتر

قطعات اپتیکی به‌دست آمده توسط محققان شامل: عدسیLuneburg ، دوتایی آکروماتیک (که ابیراهی‎های رنگی و کروی را محدود می‌کند)، موجبر سه‌بعدی و ژنراتور نانوجت فوتونیک است. لازم به ذکر است که لنزهای Luneburg قبلاً به دلیل قدرت تفکیک ضریب‌شکست پایین‎تری که دیگر تکنیک‎های ساخت ایجاد می‌کردند، فقط در طول موج‎های بلند مانند مادون قرمز و رادیویی عمل می‏کردند.  SCRIBE تفکیک‌پذیری ضریب‌شکست زیر میکرون را به ارمغان آورد و بنابراین می‏تواند برای ساخت لنزهای Luneburg که توانایی کانونی کردن نور مرئی را نیز دارند، مورد استفاده واقع شود.  موجبرهای ساخته شده توسط این تیم نیز بی‏نظیر هستند چرا که در سه‌بعد توسعه می‏یابند و نور وارد شده به موجبر، پس از یک چرخش 90 درجه، به یک تشدیدگر جفت‌شده وارد می‏شود و سپس چرخش 90 درجه دوم را انجام می‏دهد. این موجبرها اتلاف بیشتری نسبت به موجبرهای تجاری دارند اما دارای مزیت مسیردهی به نور در فضای سه بعدی هستند. زمانی که از کریستین اوسیه[6]، یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی در مورد کاربردهای آینده برای این روش سوال شد، وی در پاسخ گفت: «روی هم قرار دادن المانهای نوری پراشنده، با وجود یک جداکننده بین هر لایه، ممکن است بتواند منجر به کاربردهای نوری جدید شود.» با توجه به اینکه مقیاس این روش در محدوده میکرومتر است، کاربردهای چندگانه‌ای برای آن قابل تصور است. کوری ریچاردز[7] یکی دیگر از محققان این تیم می‎گوید:«مسیردهی به نور در فضای سه‌بعدی، قطعات آکرومات، قطعات نوری پراشنده، یکپارچه‌سازی عمودی، تصویربرداری زیستی[8] و کاربردهای محتمل فراوان دیگری وجود دارند .» همچنین دامنه کاربردهای مناسب قطعات اپتیکی تولید شده به روش SCRIBE ، ممکن است با اصلاح چالش‎های مرتبط با نگارش لیزری مستقیم (DLW) گسترش یابد. به،عنوان مثال اصلاح خطاهای پیوند یا رفع نمای بخیه مانند بین میدان‌های نگارشی باعث گسترش اندازه قطعات اپتیکی از چند صد میکرون تا چندین میلی‌متر می‌شود.[ii]

 ضریب‌شکست، پاشندگی و فلورسانس همگی خصوصیاتی از نور محسوب می‌شوند که با روش SCRIBE قابل تنظیم یا کوک‌پذیر هستند و مسیری برای ممکن ساختن احتمالات و کاربردهای غیرممکن پیشین ارایه می‌دهد. این روش راهی برای دانشمندان برای ادامه تحقیق در مورد برهمکنش نور – ماده باز خواهد کرد.

منبع

https://link.springer.com/article/10.1557/s43577-021-00068-6

مقالات مرجع:

[1] Paul V. Braun

[2] Mark L. Brongersma

beam exposure [3] Subsurface controllable refractive index via

[4] direct laser writing

[5] Goddard

[6] Christian Ocier

[7] Corey Richards

[8] bioimaging

[i] https://www.nature.com/articles/s41377-020-00431-3

 

 

[ii] [ii] https://www.osapublishing.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-10-10-2370&id=437824