科学家开发用于制造精密光学元件2.5D喷墨打印技术

时间：2018-05-16 来源：

　　光学3D打印已经取得了许多突破，现在瑞士的研究人员正在引入新的突破。来自瑞士电子和微技术中心（CSEM）的团队开发了喷墨打印技术，用于制造精密光学元件，如通过限制波的扩展（简称“波导”）允许信号传播而不会造成大量的能量损失。

　　但这里有一个问题， 实际上这种方法被认为是2.5D打印，而不是3D打印，因为与3D打印相比，打印结构虽然不平整，但复杂程度有限。“喷墨印刷是制造光学元件的一种非常有吸引力的方法，因为特征的位置和尺寸可以很容易地修改，而且几乎没有材料浪费。然而，油墨的表面张力使得打印具有特定高度的线条变得困难，这对于形成“波导”是必需的，“CSEM团队成员FabianLütolf说。

　　喷墨印刷通常是一个步骤的过程，通过微小的喷嘴将一滴图案沉积到基底上。但是CSEM团队发现，线条可以印刷更平滑的特征，并且在特定的高度上通过两步沉积墨水。他们的技术可以打印由丙烯酸聚合物制成的2.5D光学波导和锥体，以及金属油墨等其他材料。现在在苏黎世联邦理工学院Lütolf和团队负责人Rolando Ferrini的Pius M. Theiler在Optics Express期刊上发表了一篇题为《使用毛细管桥的光学波导的非接触式印刷》的论文。

　　由于液体的表面张力，沉积在基材上的油墨可能裂开或凸起。但是这个两步法可以将这个问题转化为一个优势，步骤＃2中印刷的墨水可以在第一次印刷的墨滴之间自行对齐，以降低其表面张力。这也意味着研究人员不必预先对基材进行图案印刷，而这对于其他喷墨印刷技术来说是必需的，这使得制造更简单并且增加了可用的设计空间。

　　新技术首先打印一系列球形液滴，称为钉帽，然后钉住由第二张照片墨水制成的液桥。这种液滴配置可防止墨水移动，从而防止印刷线上形成凸起。这种方法还可以连接多个连接点以形成尖锐的边缘和拐角，与传统的光刻技术相比，它还具有几个优点，常用于制造芯片上的微小元件。研究人员使用喷墨打印方法来创建该波导。通过波导发送激光（红色）可以测量波导的光学特性。Lütolf解释说：“喷墨打印不需要像光刻这样的物理掩模，而且连接组件更容易。此外，如果您只想快速测试一个想法或改变参数，喷墨打印等增材制造方法只需要适应数字设计。“

　　根据新的两步喷墨印刷方法（h-n）和其实际印刷（o-u）的理论计算，将印刷特征与标准一步喷墨印刷（a-g）进行比较。比例尺= 200微米。该团队创建了一个宽20微米，高31微米的聚合物波导，并带有一个锥形，以允许来自外部激光器的光线进入波导，以评估新方法。测量波导内的光损耗为0.19 dB / cm，仅比光刻法制作的波导高一个数量级。

　　“在这篇论文中，我们报告了首批具有损耗表征的喷墨印刷波导。对于我们设想的应用，波导将在短距离内传输光线，而不是在整个网络中传输光线，“Lütolf说。 “目前的损失水平对于这种应用是可以容忍的。最小的波导由一个单独的墨滴组成，并且其大小受打印机喷嘴的限制。但是他们研究中打印机的最窄波导尺寸为40微米，高度约为10微米，这与市场上使用工业喷墨打印机性能相似。通过我们目前的材料和硬件组合，不可能将波导制作在10微米以下，这对于单模操作通常是必需的。但我们很接近。然而，没有基本的物理限制会阻止我们打印单模波导。“