使用喷墨打印创建的精密光学组件

研究人员开发了一种喷墨打印技术，可用于打印光学元件，如波导。由于印刷方法还可以制造电子和微流体，因此它可以推进各种设备，例如用于健康监测的光学传感器和将多个实验室功能集成并自动化到小型电路或芯片上的芯片实验室设备。

“喷墨打印是一种非常有吸引力的制造光学元件的方法，因为特征的位置和尺寸可以很容易地修改，并且几乎没有材料浪费，”由瑞士CSEM的Rolando Ferrini领导的研究团队成员FabianLütolf说。 。“然而，油墨的表面张力使得难以印刷具有特定高度的线，这对于形成波导是必要的。”

喷墨打印是一种增材制造技术，它使用像桌面喷墨打印机中的微喷嘴将计算机生成的墨滴图案(“墨水”)沉积到基板上以构建结构。研究人员发现，通过两个步骤(而不是传统的单步骤)沉积墨水，可以打印具有特定高度的线条，并且具有比其他方式更平滑的特征。印刷结构被认为具有2.5维度，因为尽管它们不是扁平的，但与传统3D打印所产生的结构相比，它们的复杂性是有限的。

在光学学会(OSA)期刊Optics Express中，研究人员表明，他们的技术可用于印刷2.5D光波导和丙烯酸聚合物制成的锥形。印刷概念还可以与其他材料(例如金属油墨)一起使用，以制造用于可生物降解应用的电子或蔗糖混合物。

Lütolf指出，尽管印刷电子产品已经在商业上使用，但印刷微流体技术更具挑战性，并且容易出现与波导相同的问题。“我们的方法可以使用单个打印机制造具有多种功能的组件，这为整个集成电路芯片的增材制造铺平了道路，”Lütolf说。“这意味着可以将光学元件添加到柔性混合电子元件中，并且可以将诸如光源或探测器的光电元件集成到印刷光学电路中。”

将问题转化为解决方案

由于表面张力，沉积在基底上的墨水倾向于凸起或分裂。通过两步沉积墨水，研究人员可以将液体的表面张力转化为优势。在沉积一系列液滴之后，在第二步骤中印刷的油墨试图通过来自第一印刷物的液滴之间的自对准来最小化其表面能。与以前的喷墨打印方法不同，研究人员不必预先对基板进行图案化，从而增加了可用的设计空间并简化了制造。

为了实施新技术，首先印刷一系列称为钉扎帽的液滴。这些球形帽销由来自第二印刷品的墨水形成的液体桥，形成固定墨水并防止在印刷线中形成凸起的构造。除了在两个点之间形成直线之外，该技术还可用于连接三个或更多个连接点以形成角或锐边。

与传统的光刻技术相比，这种新技术具有多项优势，通常用于在芯片上制作微小元件。“喷墨打印不需要像光刻一样的物理掩模，更容易连接组件，”Lütolf说。“此外，如果您只是想快速测试一个想法或改变一个参数，喷墨打印等增材制造方法只需要调整数字设计。”

为了评估新的印刷方法，研究人员创造了一种宽度为120微米，高度为31微米的聚合物波导，其锥度允许来自外部激光源的光进入波导。他们测量波导内的光学损耗为0.19dB / cm，仅比使用光刻法产生的现有技术波导高一个数量级。

“在论文中，我们报告了第一批具有损耗特性的喷墨打印波导，”Lütolf说。“对于我们设想的应用，波导将携带短距离光，而不是整个网络。目前的损耗水平可以容忍这些应用。”

研究人员表示，最小的波导由一滴墨水组成，墨水的大小受喷墨打印机喷嘴的限制。对于研究中使用的打印机，最窄的波导将在40微米范围内，高度约为10微米。典型的工业喷墨打印机也有类似的限制。

“凭借我们目前的材料和硬件组合，不可能制造低于10微米的波导，这是单模操作所需的。但我们很接近，”Lütolf说。“然而，没有基本的物理限制会妨碍我们打印单模波导。”

他补充说，几个团队已经通过电流体动力学印刷(E-jet)等技术展示了亚微米级的印刷能力。应该可以将这些仪器与新的喷墨印刷技术组合以产生单模波导。

研究人员正在努力优化印刷方法和油墨，以进一步降低波导损失的光量。他们还致力于使喷墨工艺更适用于大规模制造，并最终实现商业实施。