• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21.11.2023
ФизТех
11 751

Ученые продвинулись в изготовлении линз будущего

4.4

Физики из МФТИ и Физического института имени П. Н. Лебедева представили новую схему для производства микроскопических приборов в виде комбинации асферической микролинзы и массива микролинз, полученных методом двухфотонной литографии. Полученные результаты имеют широкий спектр применения в производстве сложных оптических устройств, оптимизированных микрообъективов для высокоточного измерения кривизны волнового фронта и изготовления преломляющих рентгеновских линз.

Полученные с помощью LSCM изображения: а — 3D-изображение одиночной асферической микролинзы, совмещенной с массивом микролинз; b — поперечное сечение изготовленной оптической системы; c — асферическая линза (верхняя часть изготовленной оптической системы) на высоте 12 мкм; d — планарное изображение массива микролинз на высоте 5,55 мкм, представляющее собой нижнюю часть изготовленной оптической системы / Physics of Wave Phenomena
Полученные с помощью LSCM изображения: а — 3D-изображение одиночной асферической микролинзы, совмещенной с массивом микролинз; b — поперечное сечение изготовленной оптической системы; c — асферическая линза (верхняя часть изготовленной оптической системы) на высоте 12 мкм; d — планарное изображение массива микролинз на высоте 5,55 мкм, представляющее собой нижнюю часть изготовленной оптической системы / © Physics of Wave Phenomena / Автор: Regulus Tremerus

Работа опубликована в журнале Physics of Wave Phenomena. Развитие технологий в астрофотонике, нанофотонике, оптоэлектронике и других областях потребовало повысить качество получаемых изображений. Это привело к появлению нового поколения микрооптических устройств, а именно — матриц микролинз. Массивы микролинз (также называемые микролинзовыми матрицами или матрицами линз) используются для увеличения коэффициента оптического заполнения. Эти системы линз служат для фокусировки и концентрации света на поверхности фотодиода вместо того, чтобы позволять ему падать на нефоточувствительные области устройства.

Благодаря своим функциональным возможностям, малому размеру, легкому весу и низкой стоимости матрицы микролинз приобрели большую известность и применимость. Тем не менее производство таких объектов остается нелегкой задачей. Существует множество способов производства, но каждому из них свойственны недостатки. Например, травление сфокусированным ионным лучом и электронно-лучевое травление сравнительно сложны и дороги, технология микроэлектроэрозионной обработки требует специальной подготовки компонентов для достижения высокого качества изделия, а термолитография и УФ-лазерная фотолитография с прямой записью требуют точного контроля тепла и других внешних параметров.

Алексей Витухновский, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ, поясняет: «Асферические микролинзы и матрицы микролинз позволяют повысить эффективность различных оптических устройств. Однако производство таких изделий технологически сложно. Проблема возникает из-за невозможности изготовления микролинз произвольного профиля в области характерных размеров в несколько десятков микрометров с использованием традиционных технологий, таких как одноточечное алмазное фрезерование и термическое оплавление. В своей работе мы ​​точно выверили комбинацию асферической микролинзы и массива микролинз, сделанных нами методом прямой лазерной записи с двухфотонной полимеризацией. Эта структура была нами спроектирована и оптимизирована с использованием методов компьютерного моделирования».

Для создания массива микролинз ученые использовали технологию многофотонной литографии (также известной как прямая лазерная литография, или DLW). Решение авторы объяснили сравнительной легкостью в реализации и дешевизной технологии. Литография в микро- и наноэлектронике — это формирование в специальном чувствительном слое (резисте), нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка, повторяющего топологию микросхемы, с последующим переносом этого рисунка на подложки. Принципиальным отличием многофотонной литографии является использование двухфотонного поглощения для изменения растворимости резиста, что позволяет добиться высокой четкости полученного рисунка.

Моделирование хода луча в оптической системе. Изображены асферическая линза, массив микролинз и многожильное волокно / © Physics of Wave Phenomena

В результате математического моделирования с использованием программы Zemax ученые нашли наиболее оптимальные параметры линз: для линз массива радиус кривизны R = 5,6 микрометра, фокусное расстояние f = 10,9 микрометра, числовая апертура NA = 0,5, апертура 5,5 микрометра. Моделируемая система включала источник света, асферическую микролинзу, массив микролинз и многожильное оптическое волокно (с семью жилами).

Для асферической линзы был выбран специальный радиус кривизны, что позволило улучшить оптические характеристики и исправить сферические аберрации. Исследователи сделали асферическую линзу параболической формы с радиусом кривизны R = 24 микрометра, фокусным расстоянием f = 46,7 микрометров, числовой апертурой NA = 0,43 и апертурой 40,2 микрометра. Расстояние между асферической линзой и микролинзами было оптимизировано для максимизации сигнала моделируемой системы.

В ходе послойного изготовления линз было использовано большое количество слоев малой толщины, что позволило уменьшить шероховатость и тем самым увеличить их оптические качества. Для литографии использовался лазер с длиной волны 780 нанометров.

Изображения для анализа структуры были получены с помощью конфокального микроскопа. Для получения изображения в молекулах фотоинициатора, входящих в материал линз, возбуждалась люминесценция непрерывным воздействием аргонового лазера с длиной волны 458 нанометров. Шаг измерения при сканировании — 0,05 микрометра, что равно высоте слоев, из которых составлены линзы, что позволило точно сопоставить результаты измерений и численного моделирования. Полученные данные показали, что результат согласуется с результатами численного моделирования.

Разработка будет применима в сферах, где используются датчики волнового фронта. Такие датчики позволяют измерять кривизну волнового фронта и передавать данные на обрабатывающие устройства, что позволяет изменять форму или положение линз или зеркал. Это используется в адаптивной оптике, в частности, в астрономии для компенсации турбулентностей атмосферы и погодных явлений во время наблюдения с Земли. Также они используются в производстве и исследованиях в лазерных приборах, оптике, космической астрономии, в производстве контактных и интраокулярных линз, в том числе оптических элементов для мобильных телефонов, микроскопов и объективов фотоаппаратов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

Вчера, 16:20
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

20 июля
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

17 июля
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

20 июля
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно