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，這標志著通信領(lǐng)域的一項重大突破。此項技術(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

研究團隊在《ACS Nano》雜志上發(fā)表的報告中指出，將石英玻璃光學(xué)器件與光纖集成，可實現(xiàn)多項創(chuàng)新，包括用于環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健的高靈敏遠程傳感器。此外，這項打印技術(shù)在藥品和化學(xué)品生產(chǎn)中也顯示出潛在價值。

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，團隊打印的石英玻璃傳感器經(jīng)過多次測量，比標準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，使我們能夠測量有機溶劑的濃度。由于溶劑的腐蝕性，這種測量對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補充說：“這些結(jié)構(gòu)非常小，一粒沙子的表面可以容納1000個，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。這項技術(shù)在微流體設(shè)備、MEMS加速計和光纖集成量子發(fā)射器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，并且團隊已經(jīng)為該技術(shù)提交了專利申請。

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，該團隊的研究包含四個主要步驟。首先，將單模光纖切割成所需長度，并在兩端進行切割。然后，將光纖穿過定制的鋁制支架并固定到電動平臺上。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，幫助對準。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)，而不會損壞溫度敏感涂層。研究人員利用該工藝首次測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，這標志著通信領(lǐng)域的一項重大突破。此項技術(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

研究團隊在《ACS Nano》雜志上發(fā)表的報告中指出，將石英玻璃光學(xué)器件與光纖集成，可實現(xiàn)多項創(chuàng)新，包括用于環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健的高靈敏遠程傳感器。此外，這項打印技術(shù)在藥品和化學(xué)品生產(chǎn)中也顯示出潛在價值。

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，團隊打印的石英玻璃傳感器經(jīng)過多次測量，比標準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，使我們能夠測量有機溶劑的濃度。由于溶劑的腐蝕性，這種測量對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補充說：“這些結(jié)構(gòu)非常小，一粒沙子的表面可以容納1000個，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。這項技術(shù)在微流體設(shè)備、MEMS加速計和光纖集成量子發(fā)射器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，并且團隊已經(jīng)為該技術(shù)提交了專利申請。

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，該團隊的研究包含四個主要步驟。首先，將單模光纖切割成所需長度，并在兩端進行切割。然后，將光纖穿過定制的鋁制支架并固定到電動平臺上。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，幫助對準。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)，而不會損壞溫度敏感涂層。研究人員利用該工藝首次測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。