玻璃吹制新技術：可製造出微型光學透鏡

導讀

據美國光學學會官網近日報道，法國 FEMTO-ST 研究所的研究人員在微觀尺度採用玻璃吹制原理，製造出專用的微型圓錐形透鏡：「軸稜錐」。

背景

從羅馬時代起，將空氣吹到熱玻璃中形成氣泡的方法，一直被用於製造玻璃物體。

玻璃吹制（圖片來源：維基百科）

創新

在新的工作中，研究人員們在微觀尺度採用同樣的玻璃吹制原理，製造專用的微型圓錐形透鏡，它也稱為「軸稜錐（axicon）」。

軸稜錐（圖片來源：維基百科）

軸稜錐可用於將激光塑造得有利於光學鑽孔、成像以及為操控微粒或者細胞創造光學陷阱。這些透鏡已經有超過60年的歷史，但是它們的製造工藝（特別是在微觀尺度上）並不簡單。

來自法國 FEMTO-ST 研究所的研究團隊成員 Nicolas Passilly 表示：「我們的技術有望低成本地製造結實的小型玻璃軸稜錐，它可以在生物醫學成像應用例如光學相干層析成像（OCT）所需的小型化成像系統中使用。」

研究人員們在美國光學學會（OSA）期刊《光學快報（Optics Letters）》上描述了這種新型製造方法。該方法所基於的工藝，與在半導體晶圓上並行製造大量的光子與電子電路所用的工藝一樣。研究人員們採用他們的方法創造出直徑為0.9毫米和1.8毫米的玻璃軸稜錐，並成功地生成貝塞爾光束。

下圖這幅圖展示了一塊晶圓上製造好的透鏡。

（圖片來源：Nicolas Passilly, FEMTO-ST 研究所）

技術

當與激光一起使用時，軸稜錐創造出一束光線，這束光線開始是類貝塞爾光束（一種在其軸上具有最大強度的非衍射光束），然後轉變成空心光束，離軸稜錐越來越遠。類貝塞爾光束的景深，比由直徑相似的傳統圓形透鏡聚焦的光束的景深大幾個數量級。光束的大景深，使得光學鑽可以達到更深處，並創造出更高質量OCT圖像。對於光學鑷子來說，類貝塞爾光束和空心部分的光束可用於囚禁粒子或者細胞。

傳統意義上，這些用於製造玻璃軸稜錐的技術一次只能製造一個透鏡。儘管較便宜的軸稜錐可以用聚合物製造，但是這些軸稜錐無法承受住諸如晶圓級製造的高溫工藝，或者無法應用於需要高水平光功率的應用。

Passilly 表示：「聚合物軸稜錐無法應用於光學鑽孔，例如，因為這些瞬間的光功率可以比得上核電站的功率，但是持續時間極短。」

之前，微觀的玻璃吹制技術已經用於製造微透鏡，但是它通常需要來自單個儲氣室的膨脹氣體。研究人員們開發出了一種軸稜錐製造技術，它將來自多個儲氣室的膨脹氣體結合起來，製造出光學元件的圓錐形狀。這項技術從底部塑造表面，留下一個高質量的光學表面。它不同於那些普遍採用的技術例如蝕刻，轉移自三維掩膜（從上面蝕刻晶圓）。

為了實施這種微型玻璃吹制新技術，研究人員將硅腔沉積到同心環中。然後，這些同心環在大氣壓下用玻璃密封起來。將硅和玻璃疊層放置到熔爐中，使囚禁在腔體中的氣體膨脹，創造出環形氣泡。這些氣泡推開玻璃表面形成圓錐形，然後對面被拋光，只留下成形的透鏡。

下圖中的裝置用於描述通過微觀玻璃吹制技術製造的軸稜錐。

（圖片來源：Nicolas Passilly, FEMTO-ST 研究所）

價值

Passilly 表示：「晶圓級的微製造技術使得軸稜錐可以集成到更複雜的微系統（也是晶圓級製造）中，從而通向一種由晶圓疊層組成的微系統。這種集成帶來了更好的光學校準、高性能真空包裝以及更低成本的最終系統（因為可大批量同時處理）。」

Passilly 還表示：「雖然我們採用的所有工藝對於微製造來說都是標準的，但是我們以非標準的方法採用這些技術來製造微型玻璃軸稜錐。這項技術可用於創造其他形狀，甚至是那些不是柱對稱的形狀。」

研究人員計劃將這些光學元件集成到他們正在為癌症檢測和其他醫療應用開發的OCT設備中。

關鍵字

製造、玻璃、醫療、工藝、透鏡

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/microscopic_glass_blowing_used_to_make_tiny_optica/

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