Физики из МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева представили новую схему для производства микроскопических приборов в виде комбинации асферической микролинзы и массива микролинз, полученных методом двухфотонной литографии. Полученные результаты имеют широкий спектр применения в производстве сложных оптических устройств, оптимизированных микрообъективов для высокоточного измерения кривизны волнового фронта и изготовления преломляющих рентгеновских линз. Работа опубликована в журнале Physics of Wave Phenomena.
Развитие технологий в астрофотонике, нанофотонике, оптоэлектронике и других областях потребовало повысить качество получаемых изображений. Это привело к появлению нового поколения микрооптических устройств, а именно — матриц микролинз. Массивы микролинз (также называемые микролинзовыми матрицами или матрицами линз) используются для увеличения коэффициента оптического заполнения. Эти системы линз служат для фокусировки и концентрации света на поверхности фотодиода вместо того, чтобы позволять ему падать на нефоточувствительные области устройства.
Благодаря своим функциональным возможностям, малому размеру, легкому весу и низкой стоимости матрицы микролинз приобрели большую известность и применимость. Тем не менее производство таких объектов остается нелегкой задачей. Существует множество способов производства, но каждому из них свойственны недостатки. Например, травление сфокусированным ионным лучом и электронно-лучевое травление сравнительно сложны и дороги, технология микроэлектроэрозионной обработки требует специальной подготовки компонентов для достижения высокого качества изделия, а термолитография и УФ-лазерная фотолитография с прямой записью требуют точного контроля тепла и других внешних параметров.
Алексей Витухновский, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ, поясняет: «Асферические микролинзы и матрицы микролинз позволяют повысить эффективность различных оптических устройств. Однако производство таких изделий технологически сложно. Проблема возникает из-за невозможности изготовления микролинз произвольного профиля в области характерных размеров в несколько десятков микрометров с использованием традиционных технологий, таких как одноточечное алмазное фрезерование и термическое оплавление. В своей работе мы точно выверили комбинацию асферической микролинзы и массива микролинз, сделанных нами методом прямой лазерной записи с двухфотонной полимеризацией. Эта структура была нами спроектирована и оптимизирована с использованием методов компьютерного моделирования».
Для создания массива микролинз ученые использовали технологию многофотонной литографии (также известной как прямая лазерная литография, или DLW). Решение авторы объяснили сравнительной легкостью в реализации и дешевизной технологии. Литография в микро- и наноэлектронике — это формирование в специальном чувствительном слое (резисте), нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка, повторяющего топологию микросхемы, с последующим переносом этого рисунка на подложки. Принципиальным отличием многофотонной литографии является использование двухфотонного поглощения для изменения растворимости резиста, что позволяет добиться высокой четкости полученного рисунка.
В результате математического моделирования с использованием программы Zemax ученые нашли наиболее оптимальные параметры линз: для линз массива радиус кривизны R = 5,6 мкм, фокусное расстояние f = 10,9 мкм, числовая апертура NA = 0,5, апертура 5,5 мкм. Моделируемая система включала источник света, асферическую микролинзу, массив микролинз и многожильное оптическое волокно (с семью жилами). Для асферической линзы был выбран специальный радиус кривизны, что позволило улучшить оптические характеристики и исправить сферические аберрации. Исследователи сделали асферическую линзу параболической формы с радиусом кривизны R = 24 мкм, фокусным расстоянием f = 46,7 мкм, числовой апертурой NA = 0,43 и апертурой 40,2 мкм. Расстояние между асферической линзой и микролинзами было оптимизировано для максимизации сигнала моделируемой системы.
Рисунок 1. Моделирование хода луча в оптической системе. Изображены асферическая линза, массив микролинз и многожильное волокно. Источник: Physics of Wave Phenomena
В ходе послойного изготовления линз было использовано большое количество слоев малой толщины, что позволило уменьшить шероховатость и тем самым увеличить их оптические качества. Для литографии использовался лазер с длиной волны 780 нм.
Изображения для анализа структуры были получены с помощью конфокального микроскопа. Для получения изображения в молекулах фотоинициатора, входящих в материал линз, возбуждалась люминесценция непрерывным воздействием аргонового лазера с длиной волны 458 нм. Шаг измерения при сканировании — 0,05 мкм, что равно высоте слоев, из которых составлены линзы, что позволило точно сопоставить результаты измерений и численного моделирования. Полученные данные показали, что результат согласуется с результатами численного моделирования.
Рисунок 2. Полученные с помощью LSCM изображения: а — 3D-изображение одиночной асферической микролинзы, совмещенной с массивом микролинз; b — поперечное сечение изготовленной оптической системы; c — асферическая линза (верхняя часть изготовленной оптической системы) на высоте 12 мкм; d — планарное изображение массива микролинз на высоте 5,55 мкм, представляющее собой нижнюю часть изготовленной оптической системы. Источник: Physics of Wave Phenomena
Разработка будет применима в сферах, где используются датчики волнового фронта. Такие датчики позволяют измерять кривизну волнового фронта и передавать данные на обрабатывающие устройства, что позволяет изменять форму или положение линз или зеркал. Это используется в адаптивной оптике, в частности, в астрономии для компенсации турбулентностей атмосферы и погодных явлений во время наблюдения с Земли. Также они используются в производстве и исследованиях в лазерных приборах, оптике, космической астрономии, в производстве контактных и интраокулярных линз, в том числе оптических элементов для мобильных телефонов, микроскопов и объективов фотоаппаратов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 22-79-10153
Лаборатория технологий 3D-печати функциональных микроструктур — одно из подразделений Института квантовых технологий МФТИ. Лаборатория активно привлекает студентов и аспирантов, под руководством ее сотрудников они выполняют свои научно-исследовательские работы.
ФИАН — базовая организация шести кафедр и образовательных программ ЛФИ МФТИ . Приступить к учебе и начать заниматься наукой в ФИАН студенты могут уже в бакалавриате или после поступления в магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
