Onderzoekers hebben nieuwe 3D-geprinte microlenzen ontwikkeld met instelbare brekingsindices - een eigenschap die hen zeer gespecialiseerde lichtfocusmogelijkheden geeft. Deze vooruitgang is klaar om de beeldvorming te verbeteren, informatica en communicatie door de gegevensrouteringscapaciteit van computerchips en andere optische systemen aanzienlijk te vergroten, aldus de onderzoekers.

De studie werd geleid door de Urbana-Champaign-onderzoekers van de Universiteit van Illinois, Paul Braun en Lynford Goddard, en is de eerste die het vermogen aantoont om de richting aan te passen waarin licht buigt en door een lens gaat met een precisie van minder dan een micrometer.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassing .

"De mogelijkheid hebben om optica met verschillende vormen en optische parameters te fabriceren, biedt een oplossing voor veelvoorkomende problemen in de optica, " zei Braun, die een professor in materiaalkunde en techniek is. "Bijvoorbeeld, in beeldverwerkingstoepassingen, scherpstellen op een specifiek object resulteert vaak in wazige randen. Of, in toepassingen voor gegevensoverdracht, hogere snelheden zijn gewenst zonder ruimte op een computerchip op te offeren. Onze nieuwe lensfabricagetechniek lost deze problemen op in één geïntegreerd apparaat."

Als demonstratie, het team maakte drie lenzen:een platte lens; 's werelds eerste Luneburg-lens met zichtbaar licht - een voorheen onmogelijk te fabriceren sferische lens met unieke focuseigenschappen; en 3D-golfgeleiders die enorme mogelijkheden voor gegevensroutering mogelijk maken.

"Een standaardlens heeft een enkele brekingsindex en daarom kan het licht maar één pad door de lens afleggen, " zei Goddard, die een professor in elektrische en computertechniek is. "Door controle te hebben over de interne brekingsindex en de vorm van de lens tijdens de fabricage, we hebben twee onafhankelijke manieren om licht in een enkele lens te buigen."

In het labortorium, het team gebruikt een proces dat direct laserschrijven wordt genoemd om de lenzen te maken. Een laser laat vloeibare polymeren stollen en vormt kleine geometrische optische structuren die tot 100 keer kleiner zijn dan een mensenhaar. Direct laserschrijven is in het verleden gebruikt om andere microlenzen te maken die slechts één brekingsindex hadden, aldus de onderzoekers.

"We hebben de brekingsindexbeperkingen aangepakt door de binnenkant van een nanoporeus ondersteuningsmateriaal voor steigers te printen, "zei Braun. "De steiger vergrendelt de gedrukte micro-optiek op zijn plaats, waardoor de fabricage van een 3D-systeem met hangende componenten mogelijk is."

De onderzoekers theoretiseren dat deze controle van de brekingsindex het resultaat is van het polymerisatieproces. "De hoeveelheid polymeer die vast komt te zitten in de poriën wordt bepaald door de laserintensiteit en de blootstellingsomstandigheden, Braun zei. "Hoewel de optische eigenschappen van het polymeer zelf niet veranderen, de algehele brekingsindex van het materiaal wordt geregeld als een functie van laserblootstelling."

Teamleden zeiden dat ze verwachten dat hun methode een aanzienlijke impact zal hebben op de productie van complexe optische componenten en beeldvormingssystemen en nuttig zal zijn bij het bevorderen van personal computing.

"Een goed voorbeeld van de toepassing van deze ontwikkeling is de impact op de gegevensoverdracht binnen een pc, Goddard zei. "Huidige computers gebruiken elektrische verbindingen om gegevens te verzenden. Echter, gegevens kunnen met een aanzienlijk hogere snelheid worden verzonden met behulp van een optische golfgeleider, omdat verschillende kleuren licht kunnen worden gebruikt om gegevens parallel te verzenden. Een grote uitdaging is dat conventionele golfgeleiders maar in één vlak gemaakt kunnen worden en er dus een beperkt aantal punten op de chip met elkaar verbonden kunnen worden. Door driedimensionale golfgeleiders te maken, we de dataroutering drastisch kunnen verbeteren, overdrachtssnelheid en energie-efficiëntie."