Het inbrengen van lucht in heet glas om een ​​bel te vormen, wordt al sinds de Romeinse tijd gebruikt om glazen voorwerpen te maken. Bij nieuw werk, onderzoekers passen dezelfde glasblaasprincipes toe op microscopische schaal om gespecialiseerde miniatuur kegelvormige lenzen te maken die bekend staan ​​​​als axicons.

Axicons worden gebruikt om laserlicht te vormen op een manier die gunstig is voor optisch boren, beeldvorming en het creëren van optische vallen voor het manipuleren van deeltjes of cellen. Deze lenzen zijn al meer dan 60 jaar bekend, maar hun verzinsel, vooral als ze klein zijn, is niet makkelijk.

"Onze techniek heeft het potentieel om tegen lage kosten robuuste miniatuur axicons in glas te produceren, die kunnen worden gebruikt in geminiaturiseerde beeldvormingssystemen voor biomedische beeldvormingstoepassingen, zoals optische coherentietomografie, of OCT, " zei onderzoeksteamlid Nicolas Passilly van het FEMTO-ST Instituut in Frankrijk.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , beschrijven de onderzoekers de nieuwe fabricageaanpak, die is gebaseerd op dezelfde processen die worden gebruikt om grote aantallen fotonische en elektronische circuits parallel te maken op halfgeleiderwafels. De onderzoekers gebruikten hun aanpak om glazen axicons te maken met een diameter van 0,9 en 1,8 millimeter en toonden aan dat ze met succes Bessel-bundels genereerden.

"Door microfabricage op wafelniveau kunnen de axicons worden geïntegreerd in complexere microsystemen die ook op waferniveau zijn gemaakt, leidend tot een systeem gemaakt van een wafelstapel, "zei Passilly. "Dit type integratie wordt geleverd met betere optische uitlijningen, hoogwaardige vacuümverpakkingen en veel lagere kosten voor de uiteindelijke systemen omdat een groot aantal tegelijkertijd kan worden verwerkt."

Een microlens maken

Bij gebruik met een laser, axicons creëren een lichtstraal die begint als een Bessel-achtige straal - een niet-diffracterende straal met maximale intensiteit op zijn as - en vervolgens verandert in een holle straal verder weg van het axicon. Bessel-achtige bundels hebben een scherptediepte die orden van grootte groter kan zijn dan die van een bundel die wordt gefocusseerd door een traditionele ronde lens met een vergelijkbare diameter. Dankzij de grote scherptediepte van de straal kunnen optische oefeningen dieper reiken en worden OCT-beelden van hogere kwaliteit gecreëerd. Voor optische pincetten, zowel de Bessel-achtige als holle delen van de bundel kunnen worden gebruikt om deeltjes of cellen op te vangen.

Technieken die traditioneel worden gebruikt om glazen axicons te maken, kunnen slechts één lens tegelijk produceren. Hoewel goedkopere axicons kunnen worden gemaakt in polymeer, deze zijn niet bestand tegen hoge temperatuurprocessen zoals fabricage op wafelniveau of worden gebruikt in toepassingen die een hoog lichtvermogen vereisen.

"Polymeer-axiconen kunnen niet worden gebruikt bij optisch boren, bijvoorbeeld, omdat het momentane lichtvermogen vergelijkbaar is met het vermogen van een kerncentrale, maar met een extreem korte duur, ' zei Passilly.

Microglasblazen werd vroeger gebruikt om microlenzen te maken, maar meestal gaat het om gasexpansie vanuit een enkel reservoir. De onderzoekers ontwikkelden een axicon-fabricagemethode die gasexpansie uit meerdere reservoirs combineert om de conische vorm van de optische component te produceren. De techniek vormt het oppervlak van onderaf en laat een hoogwaardig optisch oppervlak achter, in tegenstelling tot veelgebruikte methoden zoals etsoverdracht van een 3D-masker die de wafer van bovenaf graveert.

Om de nieuwe microglasblaasmethode uit te voeren, de onderzoekers deponeerden siliciumholtes in concentrische ringen die vervolgens onder atmosferische druk werden afgesloten met glas. Door de stapel silicium en glas in een oven te plaatsen, zette het gas dat in de holtes was opgesloten, uit, het creëren van ringvormige bubbels. Deze bubbels duwden het glasoppervlak naar buiten om kegelvormen te vormen en vervolgens werd de andere kant weggepoetst om alleen de gevormde lenzen achter te laten.

"Hoewel alle processen die we gebruiken standaard zijn voor microfabricage, we hebben deze technieken op niet-standaard manieren toegepast om miniatuur glazen axicons te maken, " zei Passilly. "De techniek kan worden toegepast om andere vormen te creëren, zelfs degenen zonder cilindrische symmetrie."