用于制造小型光学透镜的微型玻璃吹制技术
从罗马时代开始，将空气注入热玻璃形成气泡就被用来制造玻璃制品。在这项新的研究中，研究人员将这些相同的玻璃吹制原理应用到显微镜下，制造出被称为轴棱锥透镜的微型透镜。
轴棱锥被用来塑造激光，有利于光学钻孔、成像和为操纵粒子或细胞创造光阱。这些透镜已经有60多年的历史了，但是它们的制作，特别是在一开始的时候，并不容易。
法国Femto-ST研究所的研究小组成员Nicolas Passilly说：“我们的技术有潜力以较低的成本在玻璃中制造出强大的微型轴棱锥，可用于生物医学成像应用的微型成像系统，如光学相干断层扫描（OCT）。”
在光学学会（OSA）期刊《光学快报Optics Letters》上，研究人员描述了这种新的制造方法，这种方法基于在半导体晶片上平行制造大量光子和电子电路的相同工艺。研究人员使用他们的方法制造直径为0.9和1.8毫米的玻璃轴棱锥，并证明他们成功地产生了贝塞尔光束。
Passilly说：“晶圆级微加工使轴棱锥管能够集成到更复杂的微系统中，这些微系统也是在晶圆级制造的，从而形成了一个由晶圆叠层构成的系统。这种集成方式具有更好的光学对准、高性能真空包装以及最终系统的成本更低，因为可以同时处理大量数据。”
制作微透镜
当与激光一起使用时，轴棱锥会产生一束光，它开始时是一束类似贝塞尔的光束——轴上强度最大的无衍射光束，然后在远离轴棱锥的地方变成空心光束。类贝塞尔光束的景深可以比传统的直径相近的圆形透镜聚焦的光束的景深大一个数量级。光束的高景深使光学钻能深入到更深的地方，产生更高质量的OCT图像。对于光镊，光束的贝塞尔形部分和空心部分都可以用来捕获粒子或细胞。
传统上用于制造玻璃轴棱锥的技术一次只能生产一个透镜。虽然较便宜的轴棱锥可以在聚合物中制造，但它们不能经受诸如晶片级制造之类的高温过程，也不能用于需要高光功率的应用中。
“例如，聚合物轴棱锥不能用于光学钻孔，因为瞬时光功率与核电站的功率相当，但持续时间极短，” Passilly说。
微玻璃吹制以前被用于制作微透镜，但它通常涉及单个储层的气体膨胀。研究人员开发了一种轴棱锥的制作方法，将多个储层的气体膨胀结合起来，产生光学元件的圆锥形。这项技术从下到下塑造表面，留下一个高质量的光学表面，不同于通常使用的方法，如从上面雕刻晶圆的三维掩模进行蚀刻转移。
为了实现新的微玻璃吹制方法，研究人员在同心环中沉积硅空腔，然后在大气压力下用玻璃密封。把硅和玻璃堆放在一个熔炉中，会导致被困在空腔中的气体膨胀，形成环形气泡。这些气泡将玻璃表面挤出，形成圆锥形，然后将另一面磨掉，只留下成形的透镜。
“虽然我们使用的所有工艺都是微加工的标准工艺，但我们以非标准方式应用这些技术来制造微型玻璃轴棱锥，” Passilly说。“这项技术可用于创建其他形状，甚至是没有圆柱对称的形状。”
