Lenzen dun als een haar

Onderzoekers van Universität Stuttgart hebben een korte puls laser in combinatie met een optische fotolak gebruikt om optische lenzen te produceren die nauwelijks groter zijn dan een menselijke haar.

3D print heeft de laatste jaren voor een revolutie gezorgd in het vervaardigen van gecompliceerde vormen. Door punt voor punt of lijn voor lijn materiaal op te brengen, kunnen ook de meest complexe onderdelen snel en eenvoudig worden gerealiseerd. Deze technologie is nu ook beschikbaar voor optische onderdelen.

Bij het in Stuttgart ontwikkelde proces wordt een femtosecondenlaser (een laser met een pulsduur van minder dan 100 femtoseconden) met behulp van een microscoop gericht op een vloeibare fotolak, die daartoe op een glasplaatje of glasvezel werd aangebracht. Twee fotonen van de rode laserstraal (golflengte 785 mm) worden in het brandpunt gelijktijdig geabsorbeerd en belicht waardoor de fotolak uithardt.

De laserstraal kan met een scanner of door verplaatsing van het substraat in alle drie dimensies de gewenste vorm volgen die moet worden geproduceerd. Daardoor kunnen met submicron nauwkeurigheid optische vrije vlakken worden vervaardigd. De grote nauwkeurigheid maakt het mogelijk niet alleen kogelvormige lenzen te maken, maar ook ideale vormen zoals paraboloïden en geometrieën van een hogere orde. Ook objectieven met meerdere lenzen voor afbeeldingen in de hoogste kwaliteit zijn nu mogelijk.

3D printen op glasvezel

Onderzoekers printen onder meer micro-objectieven op glasvezels. Daarmee zijn de kleinst mogelijke flexibele endoscopen te realiseren die geschikt zijn ook in de kleinste openingen van lichamen of machines onderzoek te verrichten. De optische lens en het miniatuur microscoopobjectief werden direct op CMOS-chips geprint, die daardoor een een extreem compacte sensor vormen.

Met dergelijke optica kunnen camera’s voor drones worden gemaakt die niet veel groter zijn dan een bij, maar ook de kleinst mogelijke sensoren voor zelfrijdende auto’s, autonome robots of machines voor. Ook miniatuur lichaamssensoren en 360° camera’s voor mobiele telefoons zijn mogelijk.

De onderzoekers konden hun optica ook met belichtingssystemen combineren. Daardoor kan de optica een LED, die het licht in een bepaalde richting bundelt, extreem worden verkleind. De Stuttgarter wetenschappers denken dat met behulp van 3D printen een geheel nieuw tijdperk in de vervaardiging van miniatuuroptica aanbreekt.

Snelle doorlooptijd

De tijdspanne vanaf het idee via het optisch ontwerp naar een CAD-model en het kant en klare, in 3D geprinte micro-objectief is maar één dag. Daarmee beschikken de onderzoekers over dezelfde mogelijkheden die al enkele jaren bij Computer Integrated Manufacturing in de machinebouw en metaalbewerking bestaan.

Bij het project is nauw samengewerkt met de industrie. De startup Nanoscribe, voortgekomen uit het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bouwt de zeer nauwkeurige 3D printer met geïntegreerde femtoseconde laser. Carl Zeiss uit Oberkochen adviseert de onderzoekers bij alle optische vraagstukken. Bovendien zijn enkele belangrijke spelers op het gebied van endoscopie gevestigd in Baden-Württemberg. (foto: Universität Stuttgart)