Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Patricia Daukantas

Forscher haben ein einfach zu bauendes und kostengünstiges 3D-Nanodrucksystem entwickelt, mit dem beliebige 3D-Strukturen mit extrem feinen Merkmalen erstellt werden können. Die Methode ist mit den meisten kommerziellen Mikroskopen kompatibel. [Bild: Cuifang Kuang, Zhejiang-Universität]

Forscher in China haben Berichten zufolge ein kostengünstiges 3D-Laserdrucksystem entwickelt, mit dem Strukturen mit Strukturen von nur wenigen hundert Nanometern Größe hergestellt werden können (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.495286). Die Technik nutzt eine zweistufige Absorption, um eine Vielzahl von Nanostrukturen zu erzeugen, darunter 2D-Gitter mit Perioden von weniger als 150 nm. Die neue Methode, die die Zwei-Photonen-Absorption durch einen Hochleistungs-Femtosekundenlaser ersetzt, könnte zur Herstellung vieler optischer Komponenten von Metamaterialien bis hin zu Mikrolinsen eingesetzt werden.

Wissenschaftler wissen bereits, wie sie die nichtlineare Zwei-Photonen-Absorption nutzen können, um den Photopolymerisationsprozess in 3D-Druckmaterialien anzustoßen und Strukturen in Nanogröße zu erzeugen. Der Prozess erfordert jedoch einen teuren – und kniffligen – Femtosekundenlaser.

Cuifang Kuang von der Zhejiang-Universität und seine Kollegen verfolgten einen neueren Ansatz: Sie nutzten die zweistufige Absorption, um die Photoinitiatormoleküle anzuregen, die den 3D-Druckprozess antreiben. Unter den richtigen Bedingungen zeigt die zweistufige Absorption den gleichen nichtlinearen Effekt wie die Zwei-Photonen-Absorption, aber die 405-nm-Leistung einer gewöhnlichen CW-Laserdiode – ähnlich den Lichtquellen in Blu-ray-Playern – reicht für die Stromversorgung aus der Druck.

Die Forscher nutzten ihr neues System, um eine Vielzahl detaillierter 3D-Strukturen zu erstellen, darunter eine 3D-Holzstapelstruktur (obere Reihe), einen Buckyball mit 20 μm Durchmesser (unten links) und zwei kubische Kastenrahmen (unten rechts). Die Bilder wurden mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen. [Bild: Cuifang Kuang, Zhejiang-Universität]

Als zweite Quelle im zweistufigen Absorptionsprozess verwendete das Team einen 532-nm-CW-Laser. Der Versuchsaufbau kombinierte die Strahlen mit galvanometrischen und dichroitischen Spiegeln und fokussierte sie durch ein Ölimmersionsmikroskopobjektiv auf den Fotolack, der eine organische Verbindung namens Benzil als Fotoinitiator enthielt. Ein piezoelektrischer Tisch kontrollierte die Bewegung, während der Aufbau den Fotolack mit dem Lichtstrahl abtastete.

Mit einer Scangeschwindigkeit von 100 μm/s erzeugte das Gerät 2D-Gitterlinien, die in Perioden von 125 bis 140 nm deutlich voneinander unterscheidbar waren. Das Team druckte außerdem einen achtschichtigen photonischen 3D-Woodpile-Kristall mit einer lateralen Periode von 350 nm und einer „Buckyball“-Struktur mit einem Durchmesser von nur 20 μm.

Selbst als das Team die Scangeschwindigkeit um eine Größenordnung auf 1000 μm/s erhöhte, erzeugte der Aufbau unterscheidbare Polymernanostrukturen in zwei und drei Dimensionen. Die Forscher stellten fest, dass die Wirkung des grünen 532-nm-Lasers den Polymerisationsprozess beschleunigte, während höhere Scangeschwindigkeiten dazu führten, dass weniger Leistung des 405-nm-Lasers den Fotolack erreichte.

„Dieser neue Ansatz trägt dazu bei, den 3D-Nanodruck für Wissenschaftler zugänglich zu machen, auch für diejenigen, die mit den optischen Systemen, die typischerweise für diese Art der Fertigung verwendet werden, nicht vertraut sind“, sagte Kuang in einer Pressemitteilung zu der Forschung. „Es könnte letztendlich zu kostengünstigen Desktop-3D-Nanodruckgeräten führen, die jedem Präzisions-Nanodruck ermöglichen könnten.“

Veröffentlichungsdatum: 30. August 2023