用於製造小型光學透鏡的微型玻璃吹制技術

從羅馬時代開始，將空氣注入熱玻璃形成氣泡就被用來製造玻璃製品。在這項新的研究中，研究人員將這些相同的玻璃吹制原理應用到顯微鏡下，製造出被稱為軸稜錐透鏡的微型透鏡。

軸稜錐被用來塑造激光，有利於光學鑽孔、成像和為操縱粒子或細胞創造光阱。這些透鏡已經有60多年的歷史了，但是它們的製作，特別是在一開始的時候，並不容易。

法國Femto-ST研究所的研究小組成員Nicolas Passilly說：「我們的技術有潛力以較低的成本在玻璃中製造出強大的微型軸稜錐，可用於生物醫學成像應用的微型成像系統，如光學相干斷層掃描（OCT）。」

在光學學會（OSA）期刊《光學快報Optics Letters》上，研究人員描述了這種新的製造方法，這種方法基於在半導體晶片上平行製造大量光子和電子電路的相同工藝。研究人員使用他們的方法製造直徑為0.9和1.8毫米的玻璃軸稜錐，並證明他們成功地產生了貝塞爾光束。

Passilly說：「晶圓級微加工使軸稜錐管能夠集成到更複雜的微系統中，這些微系統也是在晶圓級製造的，從而形成了一個由晶圓疊層構成的系統。這種集成方式具有更好的光學對準、高性能真空包裝以及最終系統的成本更低，因為可以同時處理大量數據。」

製作微透鏡

當與激光一起使用時，軸稜錐會產生一束光，它開始時是一束類似貝塞爾的光束——軸上強度最大的無衍射光束，然後在遠離軸稜錐的地方變成空心光束。類貝塞爾光束的景深可以比傳統的直徑相近的圓形透鏡聚焦的光束的景深大一個數量級。光束的高景深使光學鑽能深入到更深的地方，產生更高質量的OCT圖像。對於光鑷，光束的貝塞爾形部分和空心部分都可以用來捕獲粒子或細胞。

傳統上用於製造玻璃軸稜錐的技術一次只能生產一個透鏡。雖然較便宜的軸稜錐可以在聚合物中製造，但它們不能經受諸如晶片級製造之類的高溫過程，也不能用於需要高光功率的應用中。

「例如，聚合物軸稜錐不能用於光學鑽孔，因為瞬時光功率與核電站的功率相當，但持續時間極短，」Passilly說。

微玻璃吹制以前被用於製作微透鏡，但它通常涉及單個儲層的氣體膨脹。研究人員開發了一種軸稜錐的製作方法，將多個儲層的氣體膨脹結合起來，產生光學元件的圓錐形。這項技術從下到下塑造表面，留下一個高質量的光學表面，不同於通常使用的方法，如從上面雕刻晶圓的三維掩模進行蝕刻轉移。

為了實現新的微玻璃吹制方法，研究人員在同心環中沉積硅空腔，然後在大氣壓力下用玻璃密封。把硅和玻璃堆放在一個熔爐中，會導致被困在空腔中的氣體膨脹，形成環形氣泡。這些氣泡將玻璃表面擠出，形成圓錐形，然後將另一面磨掉，只留下成形的透鏡。

「雖然我們使用的所有工藝都是微加工的標準工藝，但我們以非標準方式應用這些技術來製造微型玻璃軸稜錐，」Passilly說。「這項技術可用於創建其他形狀，甚至是沒有圓柱對稱的形狀。」

來源：https://phys.org/news/2019-06-microscopic-glass-tiny-optical-lenses.html

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