Forskere udvikler glas-i-glas-fremstillingsmetode til fremstilling af miniature IR-optik

Forskere har udviklet en ny fremstillingsproces, der gør det muligt at kombinere infrarødt (IR) glas med et andet glas og formes til komplekse miniatureformer. Teknikken kan bruges til at skabe kompleks infrarød optik, der kunne gøre IR-billeddannelse og sensing mere bredt tilgængelig.

"Glas, der transmitterer IR-bølgelængder, er essentielt for mange applikationer, herunder spektroskopiteknikker, der bruges til at identificere forskellige materialer og stoffer," sagde leder af forskningsteamet Yves Bellouard fra Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz. "Men infrarøde briller er svære at fremstille, skrøbelige og let nedbrydelige i nærvær af fugt."

I tidsskriftet Optics Express , beskriver forskerne deres nye teknik, som kan bruges til at indlejre skrøbelige IR-briller i en holdbar silicamatrix. Processen kan bruges til at skabe praktisk talt enhver indbyrdes forbundne 3D-form med funktioner, der måler en mikron eller mindre. Den fungerer med en bred vifte af briller og tilbyder en ny måde at finjustere egenskaberne af 3D-optik med subtile kombinationer af glas.

"Vores teknik kan åbne døren til en helt ny række nye optiske enheder, fordi den kan bruges til at lave infrarøde optiske kredsløb og vilkårligt formet IR-mikrooptik, som ikke tidligere var muligt på grund af den dårlige fremstillingsevne af IR-glas," sagde Enrico Casamenti, første forfatter af papiret. "Denne optik kan f.eks. bruges til spektroskopi og registreringsapplikationer eller til at skabe et IR-kamera, der er lille nok til at integreres i en smartphone."

Flette materialer

Den nye fremstillingsproces voksede ud af tidligere arbejde, hvor Bellouards forskerhold samarbejdede med teamet af Andreas Mortensen, også hos EPFL, for at udvikle en metode til at danne stærkt ledende metaller inde i et isolerende 3D-silicasubstrat.

"Vores team begyndte at søge innovative måder at opnå bredbåndslysindeslutning i vilkårligt formede 3D-optiske kredsløb," sagde Bellouard. "Det var da, vi besluttede at undersøge muligheden for at ændre en proces, som vi først demonstrerede ved hjælp af metal, så den kunne bruges til at producere strukturer, der kombinerer to typer glas."

Til den nye tilgang starter forskerne med at skabe et vilkårligt formet 3D-hulrum inde i et smeltet silicaglassubstrat ved hjælp af femtosekund laserassisteret kemisk ætsning. Dette bruger den pulserende stråle fra en femtosekund-laser – som kan fokuseres til en plet, der er cirka en mikrometer bred – til at ændre glasstrukturen på en måde, der gør det muligt at fjerne de udsatte områder med et kemikalie såsom flussyre.

Når dette er gjort, skal det lille hulrum fyldes med et andet materiale for at skabe en sammensat struktur. Forskerne opnåede dette ved at bruge en miniaturiseret version af trykassisteret støbning, hvor et andet materiale smeltes og sættes under tryk, så det kan flyde og størkne inden for netværket af udskårne silica-hulrum. Det andet materiale kan være et metal, glas eller et hvilket som helst materiale med et smeltepunkt under det udskårne silicasubstrat, og som ikke reagerer med silicaglas.

Oprettelse af kompleks optik

"Vores fremstillingsmetode kan bruges til at beskytte IR-glas, hvilket åbner nye veje for mikroskala infrarøde optiske kredsløb, der er fuldt integreret i et andet glassubstrat," sagde Bellouard. "Også, fordi smeltet silica og chalcogenid tilbyder høj brydningsindekskontrast, kan vi danne disse materialer til IR-bølgeledere, der kan transmittere lys på samme måde som optiske fibre."

Forskerne demonstrerede den nye metode ved at skabe forskellige komplekse former, herunder et EPFL-logo, ved hjælp af chalcogenid IR-glas og et silicaglassubstrat. De viste også, med hjælp fra kolleger ved ETH Zürich, at nogle af de strukturer, de skabte, effektivt kunne bruges til at lede mid-IR-lys udsendt fra en kvantekaskadelaser ved 8 mikron. Få optiske komponenter er tilgængelige til dette spektrale område på grund af produktionsudfordringer.

De fortsætter med at udforske mulighederne i den nye proces med hensyn til at kombinere forskellige briller og planlægger at teste de sammensatte dele i spektroskopi og andre applikationer. + Udforsk yderligere

Forskere udskriver glasoptik med succes