斯圖加特大學(xué)：保形低溫?zé)嵩�子層沉積（ALD）為3D打印鏡片提供抗反射涂層

導(dǎo)讀：3D打印微型光學(xué)器件已成為制造亞毫米級(jí)光學(xué)器件的一種極為強(qiáng)大的制造方法。在光學(xué)系統(tǒng)中，每次光通過透鏡-空氣邊界時(shí)，都會(huì)因反射而損失少量光能。這種現(xiàn)象在多鏡頭系統(tǒng)中尤為明顯，因?yàn)閾p耗會(huì)迅速增加，因此如果我們想保持圖像質(zhì)量，防反射涂層是必不可少的。3D打印的復(fù)雜微觀光學(xué)系統(tǒng)是通過一次打印成型的，而不是制造幾個(gè)零件然后被組裝起來的。這就無法用傳統(tǒng)的涂層方法，如濺射或定向等離子體蝕刻，對(duì)各個(gè)鏡片進(jìn)行防反射涂層，因?yàn)橐陨线@些定向涂層無法直接到達(dá)各個(gè)鏡片之間的空隙。那么如何為3D打印的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行防反射涂層呢？

2022年4月，南極熊獲悉，斯圖加特大學(xué)的研究者們?cè)凇禣ptical Materials Express》上發(fā)表了一項(xiàng)題為《Atomic layer deposition of conformalanti-reflective coatings on complex 3D printed micro-optical systems》（《復(fù)雜的3D打印微觀光學(xué)系統(tǒng)上的共形抗反射涂層的原子層沉積》）的研究。研究人員通過保形低溫?zé)嵩�子層沉積（ALD）方法來解決了上述問題，讓我們看看他們具體的研究?jī)?nèi)容吧！



雙光子聚合中使用的樹脂通常在高達(dá) 200°C 的溫度下保持穩(wěn)定，因此該團(tuán)隊(duì)試圖開發(fā)一種僅在 150°C 下工作的 ALD 技術(shù)。研究通過原子層沉積（ALD），使用PICOSUN R-200高級(jí)系統(tǒng)在3D打印的光學(xué)系統(tǒng)上形成防反射涂層。他們?cè)O(shè)計(jì)的抗反射 (AR)涂層由四層交替的二氧化鈦（TiO2）和二氧化硅（SiO2）組成。涂層厚度（17 nm TiO2, 44 nm SiO2, 27 nm TiO2, 109 nm SiO2）必須精確調(diào)整到設(shè)計(jì)值，以確保反射率達(dá)到要求。該涂層是用軟件工具Essential Macleod設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，中心波長(zhǎng)為550納米，垂直入射。通常情況下，4%的入射光線在每個(gè)界面上被反射，8%的光由于反射而損失。AR涂層可以將可見光波段的主要部分的總反射損失降低到<1%。


（a)AR鍍膜設(shè)計(jì) (b) 通過無涂層和AR涂層透鏡的說明 (c) 有涂層的硅參考晶片的劈裂面的掃描電子顯微鏡圖像(d) 原子層沉積

低溫 ALD 技術(shù)
低溫 ALD 技術(shù)的工作原理是將 3D 打印部件暴露在含有分子前體的氣體中，從而形成抗反射涂層。由于氣體分子可以自由移動(dòng)和擴(kuò)散，它們可以滲入復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空腔和懸垂部分，成功地形成均勻的薄涂層。通過改變前體氣體和沉積額外的層，可以微調(diào)涂層的厚度、折射特性和反射特性，以創(chuàng)建定制的 3D 打印鏡片。該團(tuán)隊(duì)使用一組3D打印在的微型鏡頭樣品測(cè)試了他們的ALD涂層方法。結(jié)果表明，涂​​層能夠起到作用，將平面基底在可見波長(zhǎng)下的寬帶反射率降低到1% 以下。



△平面基底上的AR涂層。(a) 無涂層的玻璃基底和有一個(gè)和兩個(gè)AR涂層表面的基底的反射率測(cè)量。(b) 有涂層和無涂層的3D打印平面結(jié)構(gòu)的反射率。

測(cè)試
研究人員對(duì)不同的3D打印測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行了透射測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，通過AR涂層，六個(gè)界面的透射率從74%～90%提高到90%。


△透射測(cè)試樣品。(a) 整體厚度相同的3D打印聚合物塊組。右下角為樣品在525納米處的透射光圖像。(b)和(c)在525納米處通過不同數(shù)量的無涂層和有AR涂層的聚合物塊的歸一化傳輸。X軸為沿聚合物塊的最長(zhǎng)邊緣。(d)AR涂層和未涂層的聚合物塊的平均傳輸。

最后研究人員將我們將AR涂層與雙透鏡成像設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)行分辨率測(cè)試，結(jié)果表明，與無涂層的透鏡相比，其整體強(qiáng)度增加了20%。


△雙透鏡成像系統(tǒng)和分辨率測(cè)試結(jié)果


△帶有和不帶有抗反射涂層的3D打印微透鏡

展望未來，研究人員相信他們還可以調(diào)整工藝，將其他薄膜（如彩色濾光片）直接沉積到 3D 打印微透鏡上。該論文的第一作者 Simon Ristok 指出，這首次將 ALD 應(yīng)用于制造 3D 打印復(fù)雜微光學(xué)器件的抗反射涂層的研究，這種方法可用于制造新型極薄的內(nèi)窺鏡設(shè)備，它還可用于制造用于自動(dòng)駕駛汽車的微型傳感器系統(tǒng)或用于增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（如護(hù)目鏡）的高質(zhì)量微型光學(xué)器件。


原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OME.454475