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Komplexe optische Linsen – fein wie ein Haar

3D Druck: Kleine komplexe Mikro-Objektive herstellen
Komplexe optische Linsen – fein wie ein Haar

Komplexes 3D gedrucktes Objektiv auf einer optischen Faser neben einer Fliege (Bild: © Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut)
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Die Methode des 3D Drucks steht jetzt für optische Bauteile zur Verfügung: Forscher nutzen einen Kurzpulslaser in Kombination mit optischem Fotolack, um winzige optische Linsen herzustellen – die kleinste flexible Endoskope ermöglichen.

Der 3D Druck hat in den vergangenen Jahren die Herstellung komplizierter Formen revolutioniert. Punkt für Punkt oder Linie für Linie lassen sich auch die komplexesten Bauteile schnell und einfach realisieren. Nun stellen Forscher der Universität Stuttgart mit Hilfe eines Kurzpulslasers in Kombination mit optischem Fotolack in 3D Druck optische Linsen her, die kaum größer sind als ein menschliches Haar.

Dabei wird der Femtosekundenlaser, der eine Pulsdauer von weniger als 100 Femtosekunden besitzt, mithilfe eines Mikroskops in einen flüssigen Fotolack fokussiert, der vorher zum Beispiel auf einem Glasplättchen oder auf einer Glasfaser aufgebracht wurde. Zwei Photonen des roten Laserstrahls mit der Wellenlänge 785 nm werden im Brennpunkt gleichzeitig absorbiert und belichten ihn. Dadurch härtet der Fotolack.
Der Laserstrahl kann mit einem Scanner oder durch Verfahren des Substrates in alle drei Raumrichtungen die gewünschte Form abfahren, die hergestellt werden soll. Dadurch lassen sich mit einer Submikrometer-Genauigkeit optische Freiformflächen herstellen. Die große Präzision erlaubt es, nicht nur kugelförmige Linsen herzustellen, sondern auch die idealeren Flächen wie Paraboloide oder Asphären höherer Ordnung. Auch mehrlinsige Objektive für Abbildungen in höchster Qualität werden erstmals möglich.
Doktorand Timo Gissibl aus der Arbeitsgruppe von Prof. Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut druckte solche Mikroobjektive auch auf Glasfasern. Damit lassen sich ganz neuartige und kleinste flexible Endoskope verwirklichen, die dazu geeignet sind, auch in kleinste Öffnungen des Körpers oder in Maschinen Untersuchungen vorzunehmen. Das Optikdesign, also der Bauplan dazu, stammte im Rahmen einer Zusammenarbeit im Stuttgarter Zentrum für Photonic Engineering (SCoPE) vom Doktoranden Simon Thiele aus der Arbeitsgruppe von Prof. Alois Herkommer am Institut für Technische Optik.
Die Forscher konnten ihre Optiken auch mit Beleuchtungssystemen kombinieren. Dadurch kann die Optik einer LED, die das Licht in eine bestimmt Richtung konzentriert, extrem verkleinert werden. Die Stuttgarter Forscher glauben, dass mithilfe des 3D Drucks eine ganz neue Ära in der Fertigung von Miniaturoptiken anbricht. „Der Zeitraum von der Idee über das Optikdesign zum CAD-Modell und zum fertigen, gedruckten 3D Mikro-Objektiv verkürzt sich auf unter einen Tag“, sagt Prof. Harald Giessen. „Damit eröffnen wir ähnliche Möglichkeiten, wie sie seit einigen Jahren beim Computer-Integrated Manufacturing im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung bestehen.“
Weitere Informationen: Publikation in nature photonics
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