Lenti di dimensioni micrometriche utilizzando una tecnica di stampa 3D

LE LENTI STAMPATE IN 3D CONSENTONO LA SPETTROSCOPIA A LUNGA DISTANZA

I ricercatori dell’Università di Varsavia , in Polonia, hanno progettato obiettivi di dimensioni micrometriche utilizzando una tecnica di stampa 3D Direct Laser Writing (DLW). Le lenti stampate in 3D possono essere fabbricate su vari materiali, inclusi materiali fragili simili al grafene.

Il team di ricerca, con sede presso la Facoltà di Fisica, spiega che le lenti possono sostituire gli ingombranti obiettivi del microscopio precedentemente richiesti per eseguire misurazioni spettroscopiche di singoli emettitori di luce di dimensioni nanometriche, come punti quantici o materiali 2D atomicamente sottili.

Inoltre, questi ingombranti microscopi dovevano essere posizionati a una distanza di circa un decimo di pollice dal campione da analizzare, il che può imporre limiti a molti tipi di esperimenti moderni. Le lenti stampate in 3D proposte, secondo i ricercatori, aumentano la distanza di lavoro tra la parte anteriore dell’obiettivo e la superficie del campione di oltre due ordini di grandezza. Questo potenzialmente apre nuove prospettive per una vasta classe di esperimenti ottici.

Immagine al microscopio elettronico a scansione di microlenti asferici stampati in 3D. Foto via Università di Varsavia.
Immagine al microscopio elettronico a scansione di microlenti asferici stampati in 3D. Foto via Università di Varsavia.
Produrre microlenti con stampa 3D

I ricercatori hanno spiegato spiegando che le stampanti 3D disponibili in commercio hanno registrato un rapido sviluppo, che ha coinciso con i suoi materiali compatibili, compresi i supporti trasparenti di alta qualità ottica. Il progresso della tecnologia di stampa 3D insieme a tali materiali apre nuove possibilità in molti campi della scienza e della tecnologia, tra cui biologia, medicina, studi sui metamateriali, robotica e micro-ottica, affermano i ricercatori.

Dimostrando le sue applicazioni nell’estrazione e nella consegna della luce, gli autori dell’articolo spiegano che hanno sviluppato efficienti microlenti ellittiche che possono essere stampate in 3D su emettitori di luce. Questi obiettivi sono descritti dagli autori come “semplici, economici, a banda larga, versatili e compatibili con altri componenti di sistemi micro-ottici ampiamente desiderati”, pur funzionando senza ottica ad alta apertura numerica.

Per produrre gli obiettivi, che possono essere fabbricati su una vasta gamma di campioni, il team ha scelto di utilizzare il processo di stampa 3D DLW, che è descritto nella carta come “una tecnica versatile in grado di stampare obiettivi praticamente di qualsiasi forma”. DLW è anche nota come fotolitografia 3D a due fotoni , un processo che consente la produzione di nanostrutture 3D arbitrarie.

Tale tecnologia è fornita da artisti del calibro di Nanoscribe , un produttore tedesco di sistemi di produzione additiva a due fotoni. L’anno scorso l’azienda ha introdotto Quantum X , progettato specificamente per la fabbricazione di micro-ottiche rifrattive e diffrattive di dimensioni nanometriche che possono arrivare a 200 micron.

Alla fine del 2019 i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e della Chinese University of Hong Kong (CUHK) hanno realizzato una svolta nello sviluppo della produzione additiva a due fotoni , accelerando la velocità di produzione della tecnica e limitando il sacrificio di risoluzione.

Un array di microlenti stampato in 3D su una macchina Quantum X. Immagine via Nanoscribe.
Un array di microlenti stampato in 3D su una macchina Quantum X. Immagine via Nanoscribe.
Vantaggi della spettroscopia a distanza di lavoro ultra lunga

Una proprietà chiave delle lenti stampate in 3D presentate dagli autori è che sono in grado di aumentare l’estrazione della luce emessa dai campioni di semiconduttori e rimodellare la sua parte in uscita in un fascio ultra-stretto. Grazie a questa proprietà, i ricercatori spiegano che le lenti possono aiutare a eliminare la necessità di ingombranti microscopi necessari per eseguire misurazioni ottiche di emettitori di luce a punto singolo. Le microlenti stampate in 3D consentono anche misurazioni ottiche a lunga distanza di lavoro (600 mm con una lente di raccolta da 1 pollice), che non sono accessibili fino ad oggi con altre tecniche spettroscopiche, secondo gli autori del documento.

In genere, i microscopi spettroscopici standard misurano all’incirca le dimensioni di un soffio, pesano fino a una libbra (mezzo chilo) e devono essere posizionati a una distanza molto piccola dal campione. Ciò può causare problemi quando si tenta di produrre misurazioni in campi magnetici pulsati ad alta, a temperature criogeniche o in cavità a microonde, che d’altra parte possono essere facilmente sollevate dalle lenti stampate in 3D presentate dal team di ricerca.

Inoltre, le capacità ad alta velocità del processo di stampa 3D DLW consentono di produrre centinaia di microlenti su un campione, il che può aiutare a consentire ricerche e test di ipotesi molto più efficienti in termini di tempo. “La loro disposizione in array regolari fornisce un comodo sistema di coordinate, che specifica accuratamente la posizione di un nano oggetto scelto e consente le sue misurazioni multiple in diversi laboratori in tutto il mondo”, spiegano i ricercatori.

Il documento di ricerca, ” Spettroscopia a lunga distanza di lavoro di singole nanostrutture con microlenti asferiche ad immersione solida “, è pubblicato in Light: Science & Applications, 9, 1 (2020) ( https://doi.org/10.1038/s41377 -020-0284-1 ). È scritto da Bogucki, A., Zinkiewicz, Ł., Grzeszczyk, M. et al .

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