Forscher entwickeln einen Glas-in-Glas-Fertigungsansatz zur Herstellung von Miniatur-IR-Optiken

Forscher haben einen neuen Herstellungsprozess entwickelt, der es ermöglicht, Infrarotglas (IR) mit einem anderen Glas zu kombinieren und zu komplexen Miniaturformen zu formen. Die Technik kann verwendet werden, um komplexe Infrarotoptiken zu schaffen, die die IR-Bildgebung und -Erfassung breiter zugänglich machen könnten.

„Glas, das IR-Wellenlängen durchlässt, ist für viele Anwendungen unerlässlich, einschließlich Spektroskopietechniken zur Identifizierung verschiedener Materialien und Substanzen“, sagte Forschungsteamleiter Yves Bellouard von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz. „Infrarotgläser sind jedoch schwierig herzustellen, zerbrechlich und zerfallen leicht in Gegenwart von Feuchtigkeit.“

Im Tagebuch Optik Express, beschreiben die Forscher ihre neue Technik, mit der zerbrechliche IR-Gläser in eine haltbare Silica-Matrix eingebettet werden können. Der Prozess kann verwendet werden, um praktisch jede verbundene 3D-Form mit Merkmalen zu erstellen, die einen Mikrometer oder weniger messen. Es funktioniert mit einer Vielzahl von Gläsern und bietet eine neue Möglichkeit zur Feinabstimmung der Eigenschaften von 3D-Optiken mit subtilen Glaskombinationen.

„Unsere Technik könnte die Tür zu einer ganzen Reihe neuer optischer Geräte öffnen, da sie zur Herstellung optischer Infrarotschaltungen und beliebig geformter IR-Mikrooptiken verwendet werden kann, die zuvor aufgrund der schlechten Herstellbarkeit von IR-Glas nicht möglich waren“, sagte Enrico Casamenti, Erstautor der Abhandlung. „Diese Optiken könnten beispielsweise für Spektroskopie- und Sensoranwendungen oder zur Entwicklung einer IR-Kamera verwendet werden, die klein genug ist, um sie in ein Smartphone zu integrieren.“

Materialien zusammenführen

Der neue Herstellungsprozess entstand aus früheren Arbeiten, bei denen das Forschungsteam von Bellouard mit dem Team von Andreas Mortensen, ebenfalls an der EPFL, zusammenarbeitete, um ein Verfahren zur Bildung hochleitfähiger Metalle in einem isolierenden 3D-Silicasubstrat zu entwickeln.

„Unser Team begann, nach innovativen Wegen zu suchen, um eine breitbandige Lichtbegrenzung in beliebig geformten optischen 3D-Schaltkreisen zu erreichen“, sagte Bellouard. „Damals beschlossen wir, die Möglichkeit zu untersuchen, einen Prozess zu modifizieren, den wir zuerst mit Metall demonstriert hatten, damit er zur Herstellung von Strukturen verwendet werden kann, die zwei Arten von Glas kombinieren.“

Für den neuen Ansatz beginnen die Forscher mit der Schaffung eines willkürlich geformten 3D-Hohlraums innerhalb eines Quarzglassubstrats durch Femtosekundenlaser-unterstütztes chemisches Ätzen. Dabei wird der gepulste Strahl eines Femtosekundenlasers – der auf einen etwa einen Mikrometer breiten Fleck fokussiert werden kann – dazu verwendet, die Glasstruktur so zu verändern, dass die belichteten Bereiche mit einer Chemikalie wie Flusssäure entfernt werden können.

Sobald dies geschehen ist, muss der winzige Hohlraum mit einem anderen Material gefüllt werden, um eine Verbundstruktur zu schaffen. Die Forscher erreichten dies, indem sie eine miniaturisierte Version des druckunterstützten Gießens verwendeten, bei der ein zweites Material geschmolzen und unter Druck gesetzt wird, so dass es innerhalb des Netzwerks aus geschnitzten Silica-Hohlräumen fließen und sich verfestigen kann. Das zweite Material kann ein Metall, Glas oder ein beliebiges Material mit einem Schmelzpunkt unter dem des geschnitzten Quarzsubstrats sein und das nicht mit Quarzglas reagiert.

Erstellen komplexer Optiken

„Unser Herstellungsverfahren kann zum Schutz von IR-Glas verwendet werden und eröffnet neue Möglichkeiten für optische Infrarotschaltungen im Mikromaßstab, die vollständig in ein anderes Glassubstrat integriert sind“, sagte Bellouard. „Da Quarzglas und Chalkogenid einen hohen Brechungsindexkontrast bieten, können wir diese Materialien auch zu IR-Wellenleitern formen, die Licht ähnlich wie optische Fasern übertragen können.“

Die Forscher demonstrierten die neue Methode, indem sie verschiedene komplexe Formen, darunter ein EPFL-Logo, unter Verwendung von Chalkogenid-IR-Glas und einem Quarzglassubstrat erzeugten. Mit Hilfe von Kollegen der ETH Zürich zeigten sie auch, dass einige der von ihnen geschaffenen Strukturen effektiv zum Leiten von Licht im mittleren Infrarotbereich verwendet werden könnten, das von einem Quantenkaskadenlaser bei 8 Mikrometern emittiert wird. Aufgrund von Herstellungsproblemen sind für diesen Spektralbereich nur wenige optische Komponenten verfügbar.

Sie untersuchen weiterhin die Möglichkeiten des neuen Verfahrens in Bezug auf die Kombination verschiedener Gläser und planen, die Verbundteile in der Spektroskopie und anderen Anwendungen zu testen.