ALD技术为3D打印光学系统涂增透膜，并将光反射率降低了八倍

       为了提高透光率并减少反射，在将镜头组装为相机等设备之前，制造者通常会为镜头涂上一层膜。然而，3D打印的镜片（特别当镜片厚度小于1 mm时）进行涂层相当困难。这是因为3D打印的光学系统通常是一体化创建，无法利用传统的涂层技术遍及单镜头之间的角落和缝隙。

图1 600 μm直径的双透镜系统。1×1 cm2载玻片位于倾斜的显微镜下方。双透镜系统为载玻片中心的可视小点，而铜色硬币与双透镜系统成比例放大。（图片来源：M. Flöss/斯图加特大学）

       近日，德国的三位研究人员已经开发出一种方法，可以将增透（以下简称AR）膜应用于3D打印的多透镜系统（Opt. Mater. Express，doi：10.1364/OME.454475）。在较低温度下，他们使用了原子层沉积（以下简称ALD）技术，避免了镜片的热损伤。

       “我们的新方法帮助了所有使用多透镜的3D打印复杂光学系统，”德国斯图加特大学Harald Giessen在一次新闻发布会上说，“不过，它尤其适用于不理想照明成像环境下的高质量光学组件，诸如微型光纤内窥镜等应用。”

避免热损伤

       3D打印的狂潮已经席卷了很多领域，包括光学器件和光子学等。通过3D打印技术制造光学器件，可以制造自由曲面，如非球面透镜。光学系统的3D打印（尤其是亚毫米级的微光学系统）使生产者能够在单一步骤中创造一个完美准直的多透镜系统，并且不需要单独组装的生产部件。

       而AR涂层不仅可以减少光反射损耗，又可以防止由于质量受损形成的“鬼影”图像。然而，传统AR涂层技术，如溅射或定向等离子体刻蚀，无法应用于3D打印光学系统。因为3D打印的一次性生产过程在单个镜头之间产生了微小的缝隙，而这些缝隙是定向涂层光束无法通过的。

       为了解决以上问题，斯图加特大学团队决定在150 ℃左右的温度下操作ALD技术。因为3D打印中使用的聚合物镜片材料的玻璃相变温度大约在200 ℃，所以该团队选择这个温度可以避免镜片受到热损伤。

       针对增透膜，该团队利用ALD交错沉积了四层不同厚度的二氧化钛和二氧化硅——17 nm TiO2，44 nm SiO2，27 nm TiO2，109 nm SiO2——厚度的选择通过精确模拟以减小反射。

图2 USAF 1951仪器分辨率测试对比图。（左）未涂层和（右）AR涂层双透镜成像系统。（图片来源：S. Ristok et al., Opt. Mater. Express）

有更多的光透过涂层

       在确定AR涂层成功应用于3D打印光学结构后，该团队对ALD涂层进行定量表征。通过对1×1 cm2 大小的载玻片的一面或双面镀膜，并与未镀膜的载玻片比较，他们发现，双面镀膜的载玻片对450-680 nm光的反射率低于1%，而未镀膜的载玻片反射率约为8%（如图2）。

       此外，该团队利用3D打印的宽约600 μm双透镜成像系统（如图1）实验了这种新型涂层技术。实验结果表明，相较于未涂层成像系统，涂层系统多传输了20%以上的白色LED光。

       研究人员解释，除了提供光学抗反射性，这种涂层还可以增加3D打印光学元件的物理和化学稳定性。未来，他们计划将新型涂层技术应用于更复杂的光学系统，例如多透镜系统。他们还希望增加涂层层数，进一步降低特定波长的反射损失。

       最后，该论文声称，该团队正在寻找其他意图突破这一课题的合作者。

[1] Simon Ristok, Philipp Flad, and Harald Giessen, "Atomic layer deposition of conformal anti-reflective coatings on complex 3D printed micro-optical systems," Opt. Mater. Express 12, 2063-2071 (2022).