“甜甜圈”光束！实现高质量的光束整形！创新的微透镜制造方法

3D科学谷洞察

根据3D科学谷《数倍提高3D打印质量和产量，洞悉光斑直径无级可调所重新定义的增材制造时代！》一文，通过光束整形，熔化轨道的几何形状发生了变化，温度调节也发生了变化。在最初的显微镜检查结果中，显示了不同的晶粒尺寸和不同的晶粒纹理。晶粒尺寸和织构对于所3D打印的零部件的行为至关重要——例如影响到了零件的极限抗拉强度或极限应变。光束整形成为推动当前推动增材制造技术走向更广泛的采用的一大技术路径。”

这项研究是由深圳大学的Zhuorong Li及其所在团队进行的，研究成果发表在2023年的《IEEE国际光通信与网络会议》（ICOCN）上。该研究旨在探索一种创新的微透镜制造方法，以在医疗治疗和激光制造等应用中实现高质量的光束整形。研究中提出了利用飞秒激光诱导的双光子聚合（TPP）技术，在单模光纤尖端直接制造微透镜，从而成功将光纤发出的高斯光束转换为“甜甜圈”状光束。

随着激光和光纤技术的快速发展，微光学元件在光学成像、医疗应用和激光加工等领域得到了广泛关注。微透镜，作为重要的微光学元件，能够有效改善光束质量并实现光束形状的变换。然而，传统光学元件普遍存在尺寸较大且组装过程复杂的问题，这限制了其在许多应用中的有效性。刘教授团队的研究正是为了解决这一问题，开启了新的微透镜设计和制造思路。

在该研究中，研究者们首先在计算机上对微透镜的光学结构进行设计，利用基于照明光学的设计软件，模拟了如何制造出理想的微透镜形状。其最终设计的微透镜在光纤端面制造，具有自由表面的特征，直径为50微米，总高度为105微米，具体形状通过四次贝塞尔曲线进行精细优化。在实际制造中，研究团队使用了Nanoscribe公司的IP-S光敏树脂，通过激光聚合技术制造出高精度的微透镜。

Nanoscribe 的双光子灰度光刻技术 (2GL) 是微纳 3D 制造领域的革命性突破。该技术融合灰度光刻与双光子聚合的优势，实现了对微结构及其表面的精确控制，提供前所未有的设计自由度。2GL 能够制造超光滑的球面/非球面微透镜、锐利平面结构和高纵横比自由曲面微光学器件，甚至可制作衍射/折射混合光学元件。 Nanoscribe 的 2GL 技术受中国国家专利保护（专利号：CN110573291B）。

在微透镜的制造过程中，清洁的单模光纤尖端首先浸入光敏树脂中，然后采用25倍油浸物镜聚焦飞秒激光脉冲，逐层扫描打印，达到理想的质量与精度。研究结果显示，使用这种方法后，光束的强度分布能够有效从高斯分布整形为目标的“甜甜圈”分布。这一转化过程的成功不仅验证了微透镜设计的有效性，也为光束整形技术的应用提供了新的可能性。

尽管研究取得了成功，但在微透镜的制造过程中也面临了一些挑战，特别是在微透镜与光纤端面的结合方面。可能会出现光束成型的瑕疵，这与微透镜的形状和光纤的对准精度密切相关。例如，微透镜的底部未能紧密贴合到光纤端面可能会影响其光学性能。此外，激光打印过程中的薄膜收缩和变形也可能导致透镜的形状误差。这些细微的缺陷都表明，在实现高集成度和高性能微透镜的制造上，还需要进一步的优化和改进。

研究还利用实验室的高级光学测量设备对制作的微透镜进行了性能测试和验证。在不同的切面中，对按照设计目标进行的实验结果进行了详尽的分析与对比。实验结果的光强分布与理论模型的预测结果基本一致，尽管在某些维度上存在轻微的非对称现象，这可能与光纤、微透镜及测量设备的共轴度不完美有关。这些发现不仅证明了该方法的有效性，也为未来改进微透镜的设计和制造提供了有价值的参考。

刘教授的研究展示了3D打印微透镜在光学领域的重要潜力，尤其是在内窥镜、光热疗法和光纤激光制造等应用中。微透镜的设计与制造不仅为光束整形提供了一种新的解决方案，同时也激发了新一轮的技术创新与应用探索。研究者们相信，随着制造技术的不断进步，未来微透镜将在更广泛的应用场景中发挥重要作用，尤其是在医疗、传感和激光加工等领域。

总的来说，这项研究的成果为微光学元件的集成制造开辟了新路径，标志着3D打印技术在光学领域的进一步应用。刘教授及其团队的努力不仅解决了当前光束整形的实际问题，也为微光学元件设计和制造的未来发展提供了新的视角和思路。研究表明，通过不断的技术积累和创新，新的微光学元件能够为各行各业带来更为丰富的应用和更高的价值。

来源

MNTech微纳领航 l

光纤微透镜的3D打印技术及其在激光束整形中的应用

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