Onderzoekers hebben een nieuw fabricageproces ontwikkeld waarmee infrarood (IR) glas kan worden gecombineerd met ander glas en tot complexe miniatuurvormen kan worden gevormd. De techniek kan worden gebruikt om complexe infraroodoptieken te creëren die IR-beeldvorming en -detectie breder toegankelijk kunnen maken.

"Glas dat IR-golflengten doorgeeft, is essentieel voor veel toepassingen, waaronder spectroscopietechnieken die worden gebruikt om verschillende materialen en stoffen te identificeren", zegt onderzoeksteamleider Yves Bellouard van Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland. "Infraroodglazen zijn echter moeilijk te vervaardigen, kwetsbaar en degraderen gemakkelijk in aanwezigheid van vocht."

In het tijdschrift Optics Express , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe techniek, die kan worden gebruikt om fragiele IR-brillen in te bedden in een duurzame silicamatrix. Het proces kan worden gebruikt om vrijwel elke onderling verbonden 3D-vorm te creëren met functies van een micron of minder. Het werkt met een breed scala aan brillen en biedt een nieuwe manier om de eigenschappen van 3D-optiek te verfijnen met subtiele glascombinaties.

"Onze techniek zou de deur kunnen openen naar een geheel nieuwe reeks nieuwe optische apparaten, omdat deze kan worden gebruikt om optische infraroodcircuits en willekeurig gevormde IR-micro-optieken te maken die voorheen niet mogelijk waren vanwege de slechte maakbaarheid van IR-glas", zegt Enrico. Casamenti, eerste auteur van het artikel. "Deze optieken kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor spectroscopie- en detectietoepassingen of om een ​​IR-camera te maken die klein genoeg is om in een smartphone te integreren."

Materialen samenvoegen

Het nieuwe fabricageproces is voortgekomen uit eerder werk waarin het onderzoeksteam van Bellouard samenwerkte met het team van Andreas Mortensen, ook bij EPFL, om een ​​methode te ontwikkelen voor het vormen van sterk geleidende metalen in een isolerend 3D-silicasubstraat.

"Ons team ging op zoek naar innovatieve manieren om breedbandlichtopsluiting te bereiken in willekeurig gevormde 3D-optische circuits", zegt Bellouard. "Toen besloten we om de mogelijkheid te onderzoeken om een ​​proces dat we voor het eerst met metaal hebben gedemonstreerd, aan te passen, zodat het kan worden gebruikt om structuren te maken die twee soorten glas combineren."

Voor de nieuwe aanpak beginnen de onderzoekers met het creëren van een willekeurig gevormde 3D-holte in een gesmolten silicaglassubstraat met behulp van femtoseconde laser-geassisteerd chemisch etsen. Dit maakt gebruik van de gepulseerde straal van een femtoseconde laser - die kan worden scherpgesteld op een plek van ongeveer een micrometer breed - om de glasstructuur zodanig te veranderen dat de blootgestelde gebieden kunnen worden verwijderd met een chemische stof zoals fluorwaterstofzuur.

Zodra dit is gebeurd, moet de kleine holte worden gevuld met een ander materiaal om een ​​composietstructuur te creëren. De onderzoekers bereikten dit door een geminiaturiseerde versie van drukondersteund gieten te gebruiken, waarbij een tweede materiaal wordt gesmolten en onder druk wordt gezet, zodat het kan stromen en stollen in het netwerk van gebeeldhouwde siliciumholtes. Het tweede materiaal kan een metaal, glas of een ander materiaal zijn met een smeltpunt onder dat van het gesneden silicasubstraat en dat niet reageert met silicaglas.

Complexe optica maken

"Onze fabricagemethode kan worden gebruikt om IR-glas te beschermen, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor microschaal infrarood optische circuits die volledig zijn geïntegreerd in een ander glassubstraat", zei Bellouard. "Bovendien, omdat fused silica en chalcogenide een hoog brekingsindexcontrast bieden, kunnen we deze materialen vormen tot IR-golfgeleiders die licht net als optische vezels kunnen doorlaten."

De onderzoekers demonstreerden de nieuwe methode door verschillende complexe vormen te creëren, waaronder een EPFL-logo, met behulp van chalcogenide IR-glas en een substraat van silicaglass. Ze toonden ook aan, met de hulp van collega's van ETH Zürich, dat sommige van de structuren die ze creëerden effectief konden worden gebruikt voor het geleiden van mid-IR-licht dat wordt uitgezonden door een kwantumcascadelaser op 8 micron. Vanwege productie-uitdagingen zijn er weinig optische componenten beschikbaar voor dit spectrale bereik.

Ze blijven de mogelijkheden van het nieuwe proces onderzoeken in termen van het combineren van verschillende brillen en zijn van plan om de composietonderdelen te testen in spectroscopie en andere toepassingen. + Verder verkennen

Wetenschappers printen met succes glasoptiek