Voor de eerste keer, onderzoekers hebben lichtgeleidende structuren gefabriceerd die bekend staan ​​als golfgeleiders van iets meer dan een micron breed in een heldere siliconen die gewoonlijk wordt gebruikt voor biomedische toepassingen. de kleine, flexibele golfgeleiders kunnen worden gebruikt om op licht gebaseerde apparaten zoals biomedische sensoren en endoscopen te maken die kleiner en complexer zijn dan momenteel mogelijk is.

"Voor zover wij weten, dit zijn de kleinste optische golfgeleiders ooit gemaakt in polydimethylsiloxaan, of PDMS, "zei onderzoeksteamlid Ye Pu van de École Fédérale de Lausanne in Zwitserland. "Onze flexibele golfgeleiders kunnen worden geïntegreerd in microfluïdische lab-on-a-chip-systemen om omvangrijke externe optica die nodig is om bloedtesten uit te voeren, te elimineren, bijvoorbeeld. Ze kunnen ook licht leveren voor draagbare apparaten zoals een shirt met een display."

Zoals gerapporteerd in het journaal Optische materialen Express , de nieuwe optische golfgeleiders zijn niet alleen dunner dan een stuk stof, ze vertonen ook een zeer laag lichtverlies bij gebruik met bepaalde golflengten van licht. Een op licht gebaseerd signaal kan 10 centimeter of langer door de nieuwe golfgeleiders reizen voordat een onaanvaardbare verslechtering van het signaal optreedt.

Structuren maken met licht

De onderzoekers maakten de nieuwe golfgeleiders door laser direct schrijven te optimaliseren, een microfabricagebenadering die gedetailleerde 3D-structuren creëert door een lichtgevoelige chemische stof te polymeriseren met een nauwkeurig gepositioneerde gerichte laser. Polymerisatie zet relatief kleine moleculen, monomeren genaamd, om in grote, ketenachtige polymeren.

De nieuwe aanpak vereist geen foto-initiator, die typisch wordt gebruikt om het laserlicht efficiënt te absorberen en om te zetten in chemische energie die polymerisatie initieert. "Door geen foto-initiator te gebruiken, we hebben het fabricageproces vereenvoudigd en ook de compatibiliteit van het uiteindelijke apparaat met levend weefsel verbeterd, " zei Pu. "Deze verbeterde biocompatibiliteit zou het mogelijk kunnen maken om de benadering te gebruiken om implanteerbare sensoren en apparaten te maken."

De nieuwe flexibele golfgeleiders kunnen ook dienen als bouwstenen voor fotonische printplaten die optische signalen met hoge snelheid gebruiken in plaats van elektrische verbindingen om gegevens in computers en andere elektronische apparaten te verzenden.

Het licht beperken

Om een ​​kleine optische golfgeleider te krijgen die licht efficiënt opsluit, er moet een groot verschil zijn tussen de brekingsindex van het materiaal waaruit de golfgeleiders bestaan ​​en het omringende PDMS. De onderzoekers gebruikten fenylacetyleen voor de golfgeleiders omdat, in vergelijking met traditioneel gebruikte materialen, het heeft een hogere brekingsindex eenmaal gepolymeriseerd. Als bijkomend voordeel, het kan ook gemakkelijk in PDMS worden geladen door de PDMS simpelweg in vloeibare fenylacetyleen te weken.

Na het PDMS in fenylacetyleen te hebben geweekt, de onderzoekers gebruikten gefocuste ultrasnelle laserpulsen om een ​​optisch fenomeen te induceren dat bekend staat als multiphoton-absorptie waarbij meerdere fotonen tegelijk worden geabsorbeerd. Direct schrijven met multiphoton laser produceert veel fijnere structuren dan processen met één foton, omdat het polymerisatievolume op elke schrijfplek veel kleiner is. Met behulp van multiphoton laser direct writing konden de onderzoekers ook direct fenylacetyleenpolymerisatie starten zonder een foto-initiator. Ze verdampten vervolgens alle niet-gepolymeriseerde fenylacetyleen door het PDMS te verwarmen.

De onderzoekers toonden aan dat deze nieuwe benadering flexibele golfgeleiders in PDMS kon maken die slechts 1,3 micron breed zijn. Voor de spectrale band van 650 tot 700 nanometer geldt slechts 0,07 procent van het licht dat door de golfgeleiders wordt doorgelaten, gaat elke centimeter verloren. Het optimaliseren van de opstelling zou waarschijnlijk de fabricage van golfgeleiders mogelijk maken die kleiner zijn dan 1 micron, volgens de onderzoekers.

Een flexibele endoscoop

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de opbrengst van het fabricageproces door een controlesysteem te ontwikkelen dat materiële schade tijdens het laserschrijven zou helpen voorkomen. Ze zijn ook van plan om een ​​reeks smalle golfgeleiders in PDMS te maken die kunnen worden gebruikt om een ​​zeer flexibele endoscoop te construeren met een diameter van minder dan één millimeter.

"Zo'n kleine mechanisch flexibele endoscoop zou het mogelijk maken om een ​​aantal moeilijk bereikbare plaatsen in het lichaam in beeld te brengen voor diagnose in de kliniek, of voor monitoring bij een minimaal invasieve operatie, " zei Pu.