Лазерный мир

Аддитивные технологии позволяют изготавливать инновационные, многофункциональные линзы и компоненты, которые могут упростить оптические системы и сделать их более миниатюрными.

Новые технологии 3D-печати превращают некогда невозможные конструкции оптических компонентов в оптимизированные элементы, способные улучшить медицинские и исследовательские инструменты, системы связи и потребительские устройства.

При аддитивной 3D-печати изготовление всего оптического компонента осуществляется по одной крошечной частице за раз, позволяя создавать конструкции, в которых один объектив выполняет несколько функций, или предварительно выравнивать систему, одновременно создавая оптику, крепления и перегородки. Эти новые оптические конструкции могут уменьшить размеры изделия, улучшить технические характеристики и облегчить коммерческое масштабирование.

Например, австралийские и немецкие исследователи недавно напечатали на 3D-принтере объектив диаметром 330 мкм, способный, благодаря конструкции «линза в линзе», одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым к высоким и низким числовым значениям диафрагмы [1]. Изготовить такой объектив традиционными способами — невозможно. Он позволяет проводить как флуоресцентную, так и оптическую когерентную томографию с помощью зонда диаметром 0,52 мм. В своей статье исследователи сообщили о том, что по сравнению с более традиционным волоконно-оптическим устройством флуоресцентный контраст удалось улучшить более чем в 10 раз.

«3D-печать поистине восхищает высокой миниатюризацией, деталями, которые невозможно изготовить другими методами, а также очень хорошими возможностями выравнивания», — говорит Саймон Тиле (Simon Thiele), технический директор компании Printoptix, специализирующейся на производстве 3D-принтеров, и один из авторов статьи.

Возможность печатать оптическую систему «одним куском» с её креплением и другими элементами экономит время и сводит к минимуму ошибки при установке. Кроме того, возможность регулировать форму и свойства оптики в малых масштабах позволяет одному объективу выполнять работу нескольких. Это могло бы оказаться полезным для медицинских устройств, мобильных телефонов и солдат в полевых условиях. А ещё 3D-печать может весьма существенно сократить время, необходимое для создания прототипа оптического дизайна, — с месяцев до дней.

Но у 3D-печати оптических компонентов есть и немало проблем — таких, как ограниченная доступность оптически значимых материалов, низкая скорость изготовления и высокая стоимость, особенно при больших объёмах.

Варианты аддитивной обработки для оптики

Промышленность и исследователи решают эти проблемы с помощью множества методов 3D-печати. Профессор Томаш Ткачик (Tomasz Tkaczyk) из Университета Райса (Rice University) и его коллеги рассмотрели возможности и уровни производительности моделирования методом послойного наплавления, струйной печати, стереолитографии и двухфотонной полимеризации [2].

Созданная путём 3D-печати интегрированная система линз для микрокамер диаметром 1,1 мм с 90-градусным обзором без искажений. (Спичечная головка — для масштаба). Изготовлена на оптимизированном 3D-принтере Nanoscribe с двухфотонной полимеризацией (2PP). Источник: Printoptix GmbH.

При моделировании методом послойного наплавления расплавленный материал выдавливается через сопло и осаждается слой за слоем. Исследователи сообщили, что этот метод позволяет исключительно быстро создавать структуры с наибольшим объёмом, но при этом размер элемента — несколько сотен нанометров, а шероховатость поверхности — около 1000 нм.

Для сравнения, формованная оптика имеет шероховатость около 10 нм. Полированная оптика ещё более гладкая, с шероховатостью поверхности около 1 нм. Шероховатость поверхности и размер элемента имеют важное значение, так как определяют оптические характеристики. Размер элемента должен соответствовать нужной длине волны или быть меньше неё, а шероховатость должна быть значительно меньше.

При двухфотонной полимеризации (2PP) используется импульсный лазер, индуцирующий многофотонный процесс, который имеет место только в небольшой фокальной области, и фотоны изменяют материал. Перемещение фокусной точки в трёх измерениях создаёт структуры слой за слоем. По словам исследователей, применяя 2PP, удалось печатать превосходные детали, что в конечном итоге дало размеры элементов < 0,1 мкм и шероховатость поверхности 10 нм. Однако эта технология создаёт объект большого объёма с наименьшей скоростью. Струйная 3D-печать (использующая чернильные капли) и стереолитография (осуществляющая 3D-печать фотолитографически) по скорости, размеру элементов и шероховатости поверхности занимают, по отношению к другим методам, промежуточное положение. Струйная печать позволила изготавливать более мелкие и гладкие элементы.

В промышленном производстве применяются различные технологии. Компания Luxexcel использует струйную печать с последующим УФ-отверждением полимера — например, изготавливая на 3D-принтере линзы. В 2022 году эта компания получила премию Prism Award за технологию, позволяющую создавать умные очки с рецептурными линзами.

Полное содержание статьи: https://22century.ru/allsorts/112027