Forskare har utvecklat nya 3-D-tryckta mikrolinser med justerbara brytningsindex – en egenskap som ger dem mycket specialiserade ljusfokuseringsförmåga. Detta framsteg är redo att förbättra bildbehandling, datoranvändning och kommunikation genom att avsevärt öka datadirigeringsförmågan hos datorchips och andra optiska system, sa forskarna.

Studien leddes av University of Illinois Urbana-Champaign-forskarna Paul Braun och Lynford Goddard och är den första som demonstrerar förmågan att justera riktningen i vilken ljuset böjs och färdas genom en lins med submikrometerprecision.

Resultaten av studien publiceras i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpning .

"Att ha förmågan att tillverka optik med olika former och optiska parametrar erbjuder en lösning på vanliga problem som uppstår inom optik, sa Braun, som är professor i materialvetenskap och teknik. "Till exempel, i bildbehandlingsapplikationer, Att fokusera på ett specifikt objekt resulterar ofta i suddiga kanter. Eller, i dataöverföringsapplikationer, högre hastigheter önskas utan att offra utrymme på ett datorchip. Vår nya linstillverkningsteknik löser dessa problem i en integrerad enhet."

Som en demonstration, teamet tillverkade tre linser:en platt lins; världens första Luneburg-lins med synligt ljus – en tidigare omöjlig att tillverka sfärisk lins med unika fokuseringsegenskaper; och 3D-vågledare som kan möjliggöra enorma datadirigeringsmöjligheter.

"En standardlins har ett enda brytningsindex och därför bara en väg som ljus kan färdas genom linsen, sa Goddard, som är professor i el- och datateknik. "Genom att ha kontroll över det inre brytningsindexet och formen på linsen under tillverkningen, vi har två oberoende sätt att böja ljus inuti en enda lins."

I labbet, teamet använder en process som kallas direktlaserskrivning för att skapa linserna. En laser stelnar flytande polymerer och bildar små geometriska optiska strukturer upp till 100 gånger mindre än ett människohår. Direktlaserskrivning har använts tidigare för att skapa andra mikrolinser som bara hade ett brytningsindex, sa forskarna.

"Vi tog itu med brytningsindexets begränsningar genom att skriva ut insidan av ett nanoporöst stödmaterial för ställningar, " sa Braun. "Ställningen låser den tryckta mikrooptiken på plats, möjliggör tillverkning av ett 3D-system med upphängda komponenter."

Forskarna har en teori om att denna kontroll av brytningsindex är ett resultat av polymersättningsprocessen. "Mängden polymer som fastnar i porerna styrs av laserintensiteten och exponeringsförhållandena, ", sa Braun. "Medan de optiska egenskaperna hos själva polymeren inte förändras, det totala brytningsindexet för materialet kontrolleras som en funktion av laserexponering."

Teammedlemmar sa att de förväntar sig att deras metod kommer att avsevärt påverka tillverkningen av komplexa optiska komponenter och bildsystem och kommer att vara användbar för att utveckla persondatorer.

"Ett bra exempel på tillämpningen av denna utveckling kommer att vara dess inverkan på dataöverföring inom en persondator, ", sa Goddard. "Nuvarande datorer använder elektriska anslutningar för att överföra data. Dock, data kan skickas med en betydligt högre hastighet med hjälp av en optisk vågledare eftersom olika färger av ljus kan användas för att skicka data parallellt. En stor utmaning är att konventionella vågledare bara kan göras i ett enda plan och därför kan ett begränsat antal punkter på chippet anslutas. Genom att skapa tredimensionella vågledare, vi kan dramatiskt förbättra datarouting, överföringshastighet och energieffektivitet."