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15. Juli 2020

Asphärische 3D-Mikrolinsen für die Spektroskopie

asphärische 3D-Mikrolinsen
Mit dem Nanoscribe Photonic Professional 3D-Drucker hergestellte asphärische 3D-Mikrolinsen werden in kürzester Zeit gedruckt. Bild: Aleksander Bogucki, Universität Warschau

Mit Nanoscribe 3D-Druckern entwickeln Wissenschaftler an der Fakultät für Physik der Universität Warschau mikrometergroße asphärische Linsen. Diese Anordnung vieler Mikrolinsen soll sperrige Mikroskop-Objektive ersetzen. Damit eröffnen sie neue Möglichkeiten bei spektroskopischen Messungen einzelner punktförmiger Lichtemitter, wie z. B. Quantenpunkten oder atomaren 2D-Materialien. Denn der Arbeitsabstand zwischen der Linsenfront und der Probenoberfläche wird durch den Einsatz von Mikrolinsen mehr als verdoppelt, sodass eine Vielzahl optischer Experimente möglich wird.

Ein internationales Team aus Wissenschaftlern der Fakultät für Physik der Universität Warschau, dem National Institute for Materials Science in Tsukuba (Japan) und dem Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble (Frankreich) arbeiten gemeinsam an der Entwicklung dieser winzigen Linsen. Die Abmessungen der Mikrolinsen entsprechen nur einem Bruchteil des Durchmessers eines menschlichen Haares. Zur Herstellung nutzten die Wissenschaftler die 3D-Mikrofabrikationstechnologie von Nanoscribe. Durch ihre 3D-Struktur koppeln die Linsen mehr Licht aus dem emittierenden Halbleiter und bündeln es zu einem sehr schmalen Lichtstrahl. Dank dieses Fortschritts in der Mikrooptik könnten sperrige Mikroskop-Objektive im Versuchsaufbau optischer Messungen bald der Vergangenheit angehören. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Mikrolinsen auf verschiedene Materialien 3D-gedruckt werden können – auch auf sehr empfindliche graphenartige Materialien.

Miniaturisierte Linsen im Vorteil

Mikrolinsen eignen sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen wie z. B. für Beleuchtungen, Displays, Sensoren oder medizinische Geräte. Die Entwicklung und Herstellung kleinster Linsen mit einem geringen Gewicht ist kosteneffizient. Zudem eröffnen sich neue optische Funktionen und erweiterte Optionen für besonders kompakte Module und Geräte.

Die mit dem Forschungsprojekt entwickelten asphärischen Mikrolinsen-Arrays eignen sich für spektroskopische Messungen von extrem kleinen Lichtemittern mit einer Größe von nur wenigen Nanometern, z. B. Quantenpunkten. Bis dato werden dabei große Mikroskop-Objektive mit einem Gewicht von bis zu einem halben Kilogramm und einer Größe von etwa einer Handbreite nur wenige Millimeter über der zu analysierenden Probe positioniert. Für viele anspruchsvolle Untersuchungen – wie Messungen in hoch gepulsten Magnetfeldern, bei kryogenen Temperaturen oder in Mikrowellenkavitäten – bringt dieser Versuchsaufbau erhebliche Einschränkungen mit sich. Diese Hindernisse könnten dank asphärischer Mikrolinsen bald der Vergangenheit angehören. Aufgrund ihrer Größe und ihres geringen Gewichts lassen sich die Mikrolinsen sehr einfach in den Versuchsausbau vieler Experimente integrieren.

3D-Mikrofabrikation von Mikrolinsen-Arrays

Die 3D-Mikrofabrikationstechnologie von Nanoscribe eröffnet ganz neue Möglichkeiten zur Herstellung von Mikrolinsen. Dank der für die Nanoscribe-Technologie typischen Design-Freiheit sind in Form und Struktur nahezu beliebige Mikrolinsen machbar. Neben sphärischen Linsen können asphärische und auch Freiformlinsen gefertigt werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der 3D-Drucker von Nanoscribe steht auch einer Fertigung mehrerer hundert individueller oder gleichartiger Linsen innerhalb sehr kurzer Zeit nichts im Wege. Die einzelnen Mikrolinsen können zu gewöhnlichen oder zufällig angeordneten Arrays zusammengestellt werden, sodass sich neuartige optische Funktionen ergeben.

Lesen Sie hier die Open-Access-Publikation:
Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses

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