Forskere konfronterer udfordringer med optik og dataoverførsel med 3D-printede linser

Forskere har udviklet nye 3-D-printede mikrolinser med justerbare brydningsindekser - en egenskab, der giver dem højt specialiserede lysfokuseringsevner. Dette fremskridt er klar til at forbedre billeddannelsen, databehandling og kommunikation ved betydeligt at øge data-routing-kapaciteten af ​​computerchips og andre optiske systemer, sagde forskerne.

Undersøgelsen blev ledet af University of Illinois Urbana-Champaign forskere Paul Braun og Lynford Goddard og er den første til at demonstrere evnen til at justere retningen, hvori lyset bøjes og bevæger sig gennem en linse med sub-mikrometer præcision.

Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Lys:Videnskab og anvendelse .

"At have evnen til at fremstille optik med forskellige former og optiske parametre tilbyder en løsning på almindelige problemer i optik, " sagde Braun, som er professor i materialevidenskab og teknik. "For eksempel, i billedbehandlingsapplikationer, fokus på et bestemt objekt resulterer ofte i slørede kanter. Eller, i dataoverførselsapplikationer, højere hastigheder ønskes uden at ofre plads på en computerchip. Vores nye linsefremstillingsteknik løser disse problemer i én integreret enhed."

Som en demonstration, holdet fremstillede tre linser:en flad linse; verdens første Luneburg-objektiv med synligt lys - en tidligere umulig at fremstille sfærisk linse med unikke fokuseringsegenskaber; og 3D-bølgeledere, der kan muliggøre massive data-routing-funktioner.

"En standardlinse har et enkelt brydningsindeks og derfor kun én vej, som lyset kan rejse gennem linsen, " sagde Goddard, som er professor i elektro- og computerteknik. "Ved at have kontrol over det indre brydningsindeks og formen på linsen under fremstillingen, vi har to uafhængige måder at bøje lys inde i en enkelt linse."

I laboratoriet, holdet bruger en proces kaldet direkte laserskrivning til at skabe linserne. En laser størkner flydende polymerer og danner små geometriske optiske strukturer op til 100 gange mindre end et menneskehår. Direkte laserskrivning er tidligere blevet brugt til at skabe andre mikrolinser, der kun havde ét brydningsindeks, sagde forskerne.

"Vi adresserede brydningsindeksets begrænsninger ved at udskrive indersiden af ​​et nanoporøst stilladsstøttemateriale, " sagde Braun. "Stilladset låser den trykte mikrooptik på plads, giver mulighed for fremstilling af et 3D-system med ophængte komponenter."

Forskerne teoretiserer, at denne brydningsindekskontrol er et resultat af polymerbindingsprocessen. "Mængden af ​​polymer, der bliver fanget i porerne, styres af laserintensiteten og eksponeringsforholdene, " sagde Braun. "Mens de optiske egenskaber af selve polymeren ikke ændres, det samlede brydningsindeks for materialet styres som en funktion af lasereksponering."

Teammedlemmer sagde, at de forventer, at deres metode i væsentlig grad vil påvirke fremstillingen af ​​komplekse optiske komponenter og billeddannelsessystemer og vil være nyttige til at fremme personlig computing.

"Et godt eksempel på anvendelsen af ​​denne udvikling vil være dens indvirkning på dataoverførsel inden for en personlig computer, " sagde Goddard. "Nuværende computere bruger elektriske forbindelser til at overføre data. Imidlertid, data kan sendes med en væsentlig højere hastighed ved hjælp af en optisk bølgeleder, fordi forskellige farver af lys kan bruges til at sende data parallelt. En stor udfordring er, at konventionelle bølgeledere kun kan laves i et enkelt plan, og derfor kan et begrænset antal punkter på chippen forbindes. Ved at skabe tredimensionelle bølgeledere, vi kan dramatisk forbedre data routing, overførselshastighed og energieffektivitet."