3D printing of sub-micrometer accurate ultra-compact free-form optics

Abstract

Additive manufacturing enables novel and unprecedented engineering and production possibilities, which are predicted to have an enormous impact in the 21st century. The technology allows for the straightforward three-dimensional printing of volumetric objects as designed. In this thesis, we present a novel concept in optics, which overcomes many difficulties in the fabrication of micro-optics and opens the new field of 3D printed micro- and nano-optics with complex lens designs. Our work is just at the interface between micro- and nano-optics and represents a paradigm shift for micro-optics. It takes only a few hours from lens design, to production, testing, and the final working optical device. Using dip-in femtosecond two-photon direct laser writing, our method goes far beyond state-of-the art attempts to manufacture simple micro-lenses by lithography. We prove the versatility of this method by writing different optics. Collimation optics, toric lenses, free-form surfaces with polynomials of up to 10th order for intensity beam shaping, as well as chiral photonic crystals for circular polarization filtering, all aligned onto the core of single mode fibers are shown. In addition, we show that three-dimensional direct laser writing is a suitable tool for the fabrication of complex multi-lens optical systems that show high quality optical imaging, beam shaping performance, and tremendous compactness with sizes below 300 µm. We determine the accuracy of our optics by analyzing the imaging and beam shaping quality as well as characterizing the surfaces by atomic force microscope measurements and interferometric measurements. The method yields high fabrication accuracy and allows to manufacture of lenses with a rms (root mean square) surface roughness of less than 15 nm. The surfaces deviate from their designs by less than ±1 µm. Our 3D printed compound lenses feature resolving powers of up to 500 line pairs per millimeter. Our printed micro-optical elements can thus achieve sufficient performance in order to enable compound lenses for high quality imaging. In addition, we show the performance of diffractive optical elements with diameters of just 4.4 µm, which enable beam shaping at the end facet of an optical fiber. The intensity is shaped into a uniform or into a donut-shaped intensity distribution. For this purpose, the diffractive optics are directly fabricated onto the end facet of the optical fiber and show unprecedented performance for optical beam shaping. Our method allows for a plethora of novel applications with tremendous impact on optical trapping of atoms and in-vivo imaging in the human body. In addition, applications for imaging and illumination in endoscopy, multiple sensors, and eyes for micro-robots can be realized.

Additive Fertigung ermöglicht neuartige und noch nie dagewesene Herstellungs- und Konstruktionsmöglichkeiten, von denen vorhergesagt wird, dass sie einen massiven Einfluss im 21. Jahrhundert haben werden. Die Technologie erlaubt den einfachen dreidimensionalen Druck von massiven Objekten anhand einer Designvorgabe. In dieser Arbeit stellen wir ein innovatives Konzept vor, welches viele Probleme und Schwierigkeiten in der gegenwärtigen Herstellung von Mikrooptiken umgeht und das Feld der 3D gedruckten Mikro- und Nanooptiken eröffnet. Die Optiken können dabei komplexe Linsendesigns aufweisen. Unsere Arbeit ist direkt an der Schnittstelle zwischen Mikro- und Nanooptik und stellt einen Wandel in der Denkweise in der Mikrooptikfabrikation dar. Unsere Herstellungsmethode erlaubt die Fabrikation von Mikrooptiken - vom optischen Designen bis zur Fabrikation - in nur wenigen Stunden. Mit Hilfe von direktem Laserschreiben geht unsere Methode weit über gegenwärtige Herangehensweisen zur Herstellung von einfachen Mikrooptiken hinaus. Wir nutzen dabei Femtosekundenlaserpulse, die mittels nichtlinearem Zwei-Photonen-Absorptionsprozess ein fotosensitives Material gezielt partiell polymerisieren. Anhand der Fabrikation verschiedener Optiken demonstrieren wir die Vielseitigkeit unserer Methode. Insbesondere zeigen wir refraktive optische Elemente, wie Kollimationsoptiken, Zylinderlinsen, torische Linsen und Freiformflächen zur Strahlformung, sowie chirale photonische Kristalle zur Festlegung der Polarisation. Alle optischen Elemente werden dabei auf die Endflächen optischer Glasfasern hergestellt und submikrometergenau relativ zum Faserkern ausgerichtet. Damit wird eine Strahlformung in Intensität und Polarisation direkt an der Endfläche einer Glasfaser erreicht. Zusätzlich zeigen wir, dass das drei-dimensionale, direkte Laserschreiben ebenfalls eine bewährte Möglichkeit zur Herstellung von komplexen Systemen mit mehreren Freiformlinsen ist. Die optischen Systeme weisen dabei eine hohe optische Abbildungsqualität, gute Strahlformungsperformance und eine überlegene Kompaktheit mit Größen unter 300 µm auf. Wir bestimmen die Oberflächengüte und die Fabrikationstoleranzen unserer Optiken durch Analyse der Strahlformungs- und Abbildungsqualität sowie der Charakterisierung anhand von interferometrischen und Rasterkraftmikroskopmessungen. Durch die Verwendung von hochauflösenden Mikroskopobjektiven zur Fokusierung des Schreibstrahls bietet die Herstellungsmethode eine Genauigkeit im Sub-Mikrometerbereich. Dies ermöglicht die Herstellung von Linsensystemen mit Oberflächenrauheiten von weniger als 15 nm (quadratische Rauheit; englisch: root-mean-squared (rms) roughness). Die Oberfläche weicht dabei um weniger als ± 1 µm vom Design ab. Unsere 3D gedruckten Linsensysteme weisen Auflösungsvermögen von bis zu 500 Linienpaaren pro Millimeter auf und erreichen damit eine ausreichende Leistungsfähigkeit um mehrlinsige Systeme für hochqualitative Abbildungen zu realisieren. Ferner zeigen wir die Leistungsfähigkeit von diffraktiven optischen Elementen mit einem Durchmesser von nur 4,4 µm, die es ermöglichen den Lichtstrahl am Ende einer Glasfaser räumlich in eine gleichmäßige oder eine donutförmige Intensitätsverteilung umzuwandeln. Die diffraktiven Optiken werden dazu direkt auf die Endfläche der Glasfaser fabriziert. Unsere Methode erlaubt eine Vielzahl von neuartigen Anwendungen für optische Pinzetten und die in-vivo Bildgebung im menschlichen Körper. Zusätzlich können Anwendungen in der Bildgebung und Beleuchtung für zahlreiche Sensoren, Mikroroboter und die Endoskopie realisiert werden.