瑞典KTH皇家理工學(xué)院的研究人員在光纖尖端成功3D打印出石英玻璃微光學(xué)器件，其表面僅有頭發(fā)橫截面那么小，這標(biāo)志著通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。此項(xiàng)技術(shù)不僅有望提升互聯(lián)網(wǎng)速度和連接質(zhì)量，還能催生更小的傳感器和成像系統(tǒng)等創(chuàng)新應(yīng)用。

3D打印比沙粒小1000倍光纖尖端打印玻璃演示結(jié)構(gòu)的顯微圖像

研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》雜志上發(fā)表的報(bào)告中指出，將石英玻璃光學(xué)器件與光纖集成，可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)創(chuàng)新，包括用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健的高靈敏遠(yuǎn)程傳感器。此外，這項(xiàng)打印技術(shù)在藥品和化學(xué)品生產(chǎn)中也顯示出潛在價(jià)值。

KTH教授Kristinn Gylfason表示，這一方法克服了用石英玻璃構(gòu)造光纖尖端的長期技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)方法通常需要高溫處理，容易損害溫度敏感的光纖涂層。而此次研究中采用的過程從不含碳的基礎(chǔ)材料開始，無需高溫來驅(qū)除碳，即可使玻璃結(jié)構(gòu)透明。

研究的主要作者Lee-Lun Lai指出，團(tuán)隊(duì)打印的石英玻璃傳感器經(jīng)過多次測(cè)量，比標(biāo)準(zhǔn)塑料傳感器更具彈性?！拔覀冋故玖艘环N集成在光纖尖端的玻璃折射率傳感器，使我們能夠測(cè)量有機(jī)溶劑的濃度。由于溶劑的腐蝕性，這種測(cè)量對(duì)于基于聚合物的傳感器來說是非常具有挑戰(zhàn)性的，”Lai解釋道。

合著者Po-Han Huang補(bǔ)充說：“這些結(jié)構(gòu)非常小，一粒沙子的表面可以容納1000個(gè)，這與當(dāng)前使用的傳感器大小相當(dāng)?！?br />

用于在光纖上打印石英玻璃微結(jié)構(gòu)的裝置

此外，研究人員還展示了一種打印納米光柵的技術(shù)，這些超小圖案可以在納米尺度上蝕刻在表面，用于精確操縱光，并在量子通信中具有潛在應(yīng)用。

Gylfason教授表示，直接在光纖尖端3D打印任意玻璃結(jié)構(gòu)的能力為光子學(xué)開辟了新的領(lǐng)域。這項(xiàng)技術(shù)在微流體設(shè)備、MEMS加速計(jì)和光纖集成量子發(fā)射器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，并且團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為該技術(shù)提交了專利申請(qǐng)。

研究人員使用該工藝在光纖尖端3D打印石英玻璃微光學(xué)元件

具體來說，該團(tuán)隊(duì)的研究包含四個(gè)主要步驟。首先，將單模光纖切割成所需長度，并在兩端進(jìn)行切割。然后，將光纖穿過定制的鋁制支架并固定到電動(dòng)平臺(tái)上。接著，將40%的氫倍半硅氧烷(HSQ)甲苯溶液滴涂到光纖尖端上，形成大約100微米厚的圓頂形層。HSQ溶液干燥后，在光纖尖端留下硬層。然后注入650納米激光照射纖芯，幫助對(duì)準(zhǔn)。最后，使用波長為1040納米、脈沖寬度小于400飛秒的飛秒激光器進(jìn)行激光直接寫入(DLW)，選擇性地固化HSQ，去除未固化部分，在光纖尖端留下3D打印的石英玻璃結(jié)構(gòu)。

這一技術(shù)突破解決了3D直接激光寫入玻璃方法中的高溫要求問題，允許在光纖尖端創(chuàng)建玻璃結(jié)構(gòu)，而不會(huì)損壞溫度敏感涂層。研究人員利用該工藝首次測(cè)量了丙酮和甲醇混合物在近紅外波長下的折射率，并展示了光纖尖端偏振分束器(PBS)的應(yīng)用前景。

瑞典KTH皇家理工學(xué)院的研究人員在光纖尖端成功3D打印出石英玻璃微光學(xué)器件，其表面僅有頭發(fā)橫截面那么小，這標(biāo)志著通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。此項(xiàng)技術(shù)不僅有望提升互聯(lián)網(wǎng)速度和連接質(zhì)量，還能催生更小的傳感器和成像系統(tǒng)等創(chuàng)新應(yīng)用。

3D打印比沙粒小1000倍光纖尖端打印玻璃演示結(jié)構(gòu)的顯微圖像

研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》雜志上發(fā)表的報(bào)告中指出，將石英玻璃光學(xué)器件與光纖集成，可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)創(chuàng)新，包括用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健的高靈敏遠(yuǎn)程傳感器。此外，這項(xiàng)打印技術(shù)在藥品和化學(xué)品生產(chǎn)中也顯示出潛在價(jià)值。

KTH教授Kristinn Gylfason表示，這一方法克服了用石英玻璃構(gòu)造光纖尖端的長期技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)方法通常需要高溫處理，容易損害溫度敏感的光纖涂層。而此次研究中采用的過程從不含碳的基礎(chǔ)材料開始，無需高溫來驅(qū)除碳，即可使玻璃結(jié)構(gòu)透明。

研究的主要作者Lee-Lun Lai指出，團(tuán)隊(duì)打印的石英玻璃傳感器經(jīng)過多次測(cè)量，比標(biāo)準(zhǔn)塑料傳感器更具彈性?！拔覀冋故玖艘环N集成在光纖尖端的玻璃折射率傳感器，使我們能夠測(cè)量有機(jī)溶劑的濃度。由于溶劑的腐蝕性，這種測(cè)量對(duì)于基于聚合物的傳感器來說是非常具有挑戰(zhàn)性的，”Lai解釋道。

合著者Po-Han Huang補(bǔ)充說：“這些結(jié)構(gòu)非常小，一粒沙子的表面可以容納1000個(gè)，這與當(dāng)前使用的傳感器大小相當(dāng)?！?br />

用于在光纖上打印石英玻璃微結(jié)構(gòu)的裝置

此外，研究人員還展示了一種打印納米光柵的技術(shù)，這些超小圖案可以在納米尺度上蝕刻在表面，用于精確操縱光，并在量子通信中具有潛在應(yīng)用。

Gylfason教授表示，直接在光纖尖端3D打印任意玻璃結(jié)構(gòu)的能力為光子學(xué)開辟了新的領(lǐng)域。這項(xiàng)技術(shù)在微流體設(shè)備、MEMS加速計(jì)和光纖集成量子發(fā)射器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，并且團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為該技術(shù)提交了專利申請(qǐng)。

研究人員使用該工藝在光纖尖端3D打印石英玻璃微光學(xué)元件

具體來說，該團(tuán)隊(duì)的研究包含四個(gè)主要步驟。首先，將單模光纖切割成所需長度，并在兩端進(jìn)行切割。然后，將光纖穿過定制的鋁制支架并固定到電動(dòng)平臺(tái)上。接著，將40%的氫倍半硅氧烷(HSQ)甲苯溶液滴涂到光纖尖端上，形成大約100微米厚的圓頂形層。HSQ溶液干燥后，在光纖尖端留下硬層。然后注入650納米激光照射纖芯，幫助對(duì)準(zhǔn)。最后，使用波長為1040納米、脈沖寬度小于400飛秒的飛秒激光器進(jìn)行激光直接寫入(DLW)，選擇性地固化HSQ，去除未固化部分，在光纖尖端留下3D打印的石英玻璃結(jié)構(gòu)。

這一技術(shù)突破解決了3D直接激光寫入玻璃方法中的高溫要求問題，允許在光纖尖端創(chuàng)建玻璃結(jié)構(gòu)，而不會(huì)損壞溫度敏感涂層。研究人員利用該工藝首次測(cè)量了丙酮和甲醇混合物在近紅外波長下的折射率，并展示了光纖尖端偏振分束器(PBS)的應(yīng)用前景。