Forschung & Entwicklung

3D-Druck ermöglicht Miniaturoptiken

Mit einem Kurzpulslaser in Kombination mit optischem Fotolack können optische Linsen hergestellt werden, die kaum größer sind als ein menschliches Haar.

Ein Femtosekundenlaser mit einer Pulsdauer von weniger als 100 Femtosekunden wird mithilfe eines Mikroskops in einen flüssigen Fotolack fokussiert, der vorher zum Beispiel auf einem Glasplättchen oder auf einer Glasfaser aufgebracht wurde. Zwei Photonen des roten Laserstrahls mit der Wellenlänge 785 nm werden im Brennpunkt gleichzeitig absorbiert und belichten ihn. Dadurch härtet der Fotolack. Der Laserstrahl kann mit einem Scanner oder durch Verfahren des Substrates in alle drei Raumrichtungen die gewünschte Form abfahren, die hergestellt werden soll. Dadurch lassen sich mit einer Submikrometer-Genauigkeit optische Freiformflächen herstellen. Die große Präzision erlaubt es, nicht nur kugelförmige Linsen herzustellen, sondern auch idealere Flächen wie Paraboloide oder Asphären höherer Ordnung. Auch Objektive, bestehend aus mehreren Linsen, werden erstmals möglich.

Doktorand Timo Gissibl aus der Arbeitsgruppe von Prof. Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart druckte Mikroobjektive auch auf Glasfasern. Damit lassen sich neuartige und kleine flexible Endoskope verwirklichen, die geeignet sind, auch in kleinste Öffnungen des Körpers oder in Maschinen Untersuchungen vorzunehmen. Das Optikdesign stammte aus einer Zusammenarbeit mit dem Stuttgarter Zentrum für Photonic Engineering (SCoPE).

Die Optiken können zudem auf CMOS-Chips gedruckt werden. Somit werden Kameras für Drohnen realisiert, die nicht viel größer als eine Biene wären, oder auch kleine Sensoren für selbstfahrende Autos, autonome Roboter und für Maschinen der Industrie 4.0. Außerdem sind Körpersensoren und Rundum-Kameras für Handys vorstellbar.

Die Forscher konnten ihre Optiken auch mit Beleuchtungssystemen kombinieren. Dadurch kann die Optik einer LED deutlich verkleinert werden. Die Wissenschaftler glauben, dass mithilfe des 3D-Drucks eine neue Ära in der Fertigung von Miniaturoptiken anbricht. Der Zeitraum von der Idee über das Optikdesign zum CAD-Modell und zum fertigen, gedruckten 3D-Mikro-Objektiv verkürzt sich auf unter einen Tag. Originalveröffentlichung:[T. Gissibl, S. Thiele, A. Herkommer, H. Giessen, Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives, Nature Photonics 10 (2016), DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.121]

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