Wetenschap
Duizend keer kleiner dan een zandkorrel:glassensoren 3D-geprint op optische vezels
Als primeur voor communicatie hebben onderzoekers in Zweden micro-optica van silicaglas in 3D geprint op de uiteinden van optische vezels – oppervlakken zo klein als de dwarsdoorsnede van een mensenhaar. Deze vooruitgang zou een sneller internet en betere connectiviteit mogelijk kunnen maken, evenals innovaties zoals kleinere sensoren en beeldvormingssystemen.
Rapportage in het tijdschrift ACS Nano Onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm zeggen dat de integratie van optische apparaten van silicaglas met optische vezels meerdere innovaties mogelijk maakt, waaronder gevoeligere afstandssensoren voor het milieu en de gezondheidszorg.
De druktechnieken die zij rapporteren zouden ook waardevol kunnen zijn bij de productie van farmaceutische en chemische producten.
KTH-professor Kristinn Gylfason zegt dat de methode al lang bestaande beperkingen overwint bij het structureren van optische vezelpunten met silicaglas, waarvoor volgens hem vaak behandelingen bij hoge temperaturen nodig zijn die de integriteit van temperatuurgevoelige vezelcoatings in gevaar brengen.
In tegenstelling tot andere methoden begint het proces met een basismateriaal dat geen koolstof bevat. Dat betekent dat er geen hoge temperaturen nodig zijn om koolstof uit te drijven en de glasstructuur transparant te maken.
De hoofdauteur van het onderzoek, Lee-Lun Lai, zegt dat de onderzoekers een silicaglassensor hebben geprint die na meerdere metingen veerkrachtiger bleek te zijn dan een standaard op plastic gebaseerde sensor.
-
3D-printen 1000 keer kleiner dan een zandkorrel Microscopisch beeld van een geprinte glasdemonstratiestructuur op het puntje van een optische vezel. Credit:Lee-Lun Lai, et al. -
Printproces en voorbeeld van 3D-structuren in glas op optische vezelpunten. (a) Het fabricageproces. Stap 1:Single-mode glasvezel monteren in een op maat gemaakte glasvezelhouder. Stap 2:Drop-casting HSQ-oplossing op de optische vezeltip. Stap 3:Verdampen van oplosmiddel. Het injecteren van een zichtbare laser vanaf het andere uiteinde van de vezel om de vezelkern te verlichten voor uitlijning. Stap 4:Belichten van de HSQ-laag met de femtoseconde gepulseerde laser. Uniforme modus en Nanograting-modus kunnen worden geselecteerd door de belichtingsparameters te kiezen. (b) Een houtstapelstructuur afgedrukt met behulp van Uniform Mode. De inzet toont een close-up van de gedrukte structuur:de laterale breedte van elke straal bedraagt minder dan 400 nm. (c) Tekens "KTH" en drie blokken afgedrukt met behulp van de Nanograting-modus. De inzet laat zien dat de drie segmenten van de letter "K" zijn gemaakt van nanogratings met verschillende geselecteerde oriëntaties. Krediet:Lee-Lun Lai, et al. -
Microscopisch beeld van een demonstratiestructuur van geprint glas op het uiteinde van een optische vezel. Krediet:Lee-Lun Lai, et al.
"We hebben een glazen brekingsindexsensor gedemonstreerd die op de vezelpunt is geïntegreerd en waarmee we de concentratie van organische oplosmiddelen kunnen meten. Deze meting is een uitdaging voor op polymeer gebaseerde sensoren vanwege de corrosiviteit van de oplosmiddelen", zegt Lai.
“Deze structuren zijn zo klein dat er duizend van hen op het oppervlak van een zandkorrel passen, wat ongeveer zo groot is als de sensoren die vandaag de dag worden gebruikt”, zegt Po-Han Huang, co-auteur van het onderzoek.
De onderzoekers demonstreerden ook een techniek voor het printen van nanoroosters, ultrakleine patronen die op nanometerschaal op oppervlakken worden geëtst. Deze worden gebruikt om licht op precieze manieren te manipuleren en hebben potentiële toepassingen in kwantumcommunicatie.
Gylfason zegt dat de mogelijkheid om willekeurige glasstructuren rechtstreeks op de vezelpunt in 3D te printen nieuwe grenzen opent in de fotonica. "Door de kloof tussen 3D-printen en fotonica te overbruggen, zijn de implicaties van dit onderzoek verreikend, met potentiële toepassingen in microfluïdische apparaten, MEMS-versnellingsmeters en vezelgeïntegreerde kwantumstralers", zegt hij.