Technologie

Bessere Fokussierung in Glasfasern mit Metalinsen

27.10.2022 - Achromatische, optische Linse aus dem 3D-Nanodrucker reduziert Abbildungsfehler.

Ein inter­disziplinäres Forscherteam aus Korea, Australien, Groß­britannien und Deutschland konnte unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Photonische Techno­logien erstmals eine optische Glasfaser so optimieren, dass Licht verschiedener Wellen­längen äußerst präzise fokussiert werden kann. Erreicht wird diese Genauigkeit über den 3D-Nanodruck einer optischen Linse, die auf das Ende der Faser aufgebracht ist. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Mikro­skopie und Endoskopie sowie in der Laser­therapie und Sensorik.

Linsen an den Endflächen optischer Fasern, die gegenwärtig in der Endoskopie für die medi­zinische Diagnostik Einsatz finden, haben den Nachteil der chromatischen Aberration. Dieser Abbildungs­fehler von Optiken führt zur Verschiebung des Fokuspunktes und damit zu Unschärfe in der Bildgebung über einen breiten Wellenlängen­bereich. Abhilfe schaffen achromatische Linsen, die diese optischen Abbildungs­fehler minimieren können. Eine solche achromatische Metalinse, die an der Endfläche einer optischen Faser angebracht ist und die Fokussierung sowie Abbildung kleinster Details mit tiefen­scharfer Bildgebung erlaubt, konnte nun erstmals von einem internationalen Team realisiert werden.

„Für eine ideale Lichtformung und achroma­tische Fokussierung haben wir eine ultradünne polymerbasierte Linse realisiert, welche aus einem komplexen Design geometrischer Strukturen in Form von Nanosäulen besteht. Diese Struktur wurde direkt auf die Spitze einer 3D-gedruckten Hohlturm­struktur auf eine der Endflächen einer kommerziellen optischen Faser gedruckt. Auf diese Weise können Glasfasern derart funk­tionalisiert werden, dass Licht sehr effizient auf einen Brennpunkt fokussiert und Bilder mit hoher Auflösung erzeugt werden können“, sagt Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik. Die von den Forschenden realisierte Metalinse verfügt über einen Linsen­durchmesser von einhundert Mikrometer und eine numerische Apertur (NA) von 0,2, was im Vergleich zu bisher genutzten achromatischen Linsen auf dem Ende von Faser­endflächen deutlich höher ist und damit ein besseres Auflösungs­vermögen erreicht.

Die Linse erlaubt die Korrektur von optischen Abbildungsfehlern sowie Licht in einer spektralen Bandbreite von 400 Nanometern im Infrarotbereich sehr genau zu fokussieren. „Bemerkenswert ist, dass die indi­viduellen Nanosäulen unter­schiedliche Höhen im Bereich von 8,5 bis 13,5 Mikrometern aufweisen. Letztendlich lassen sich dadurch die unter­schiedlichen Wellenlängen des Lichts in einem einzigen Brennpunkt fokussieren“, so Markus Schmidt. In experi­mentellen Studien konnten die Forschenden die Linsen- und Fokussier­effizienz der entwickelten Faseroptik am Beispiel der faserbasierten konfokalen Scanning-Bildgebung nachweisen: Mithilfe einer Faser mit achromatischer Metaoptik erzielten sie eine überzeugende Bildqualität mit hoher Bilderfassungs­effizienz und hohem Bildkontrast bei verschiedenen Wellenlängen. Die Fokuspositionen blieben auch bei unter­schiedlichen Wellenlängen nahezu konstant.

„Da die entwickelte nano­strukturierte Metalinse äußerst klein und flach ist, bietet ein faseroptisches Design mit achromatischer Optik an der Spitze das Potential, minia­turisierte und flexible endoskopische Bildgebungs­systeme basierend auf Fasertechnologie weiter voran­zubringen und noch schonendere minimal-invasive Untersuchungen zu ermöglichen“, sagt Markus Schmidt. Neben diesem Hauptanwendungs­­bereich sehen die Forschenden weitere Einsatzgebiete im Bereich der Laser-gestützten Therapie und Chirurgie, in der faser­optischen Kommunikation sowie in der Fasersensorik.

IPHT / JOL

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