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Direkte, präzise und flexible Herstellung von mikrooptischen Bauelementen auf Glasfaser-Endflächen

Kurzfassung

Linsen und andere optische Strukturen im Mikrometerbereich können jetzt direkt auf Glasfaserenden gedruckt werden. So entfällt das fehleranfällige und aufwändige Zusammenzusetzen von Einzelteilen und auch die damit verbundenen Verunreinigungen.

Hintergrund

Miniaturisierte optische Bauelemente finden inzwischen breite Anwendung in vielen Bereichen wie z. B. in der Lasertechnik, der Messtechnik und der Medizintechnik. Häufig ist es sinnvoll, die reine Übertragung von Licht mit Modifikationen durch ein oder mehrere optische Elemente zu ergänzen um den Funktionsumfang zu erweitern.

Problemstellung

Bislang werden mikrooptische Bauteile in einer Größenordnung von unter 1-3 mm hauptsächlich durch Mikrospritzgussverfahren in Verbindung mit Ultrapräzisionsbearbeitung hergestellt. Mikrospritzgussverfahren sind hier allerdings aus verschiedenen Gründen stark eingeschränkt. Zum einen werden Negativformen benötigt, die durch die Werkzeuggrößen limitiert sind. Weiterhin sind die Entnahme der mikrooptischen Bauelemente aus der Spritzgießmaschine sowie deren Nachbearbeitung aufgrund der Zerstörungs- und Verschmutzungsgefahr problematisch. Darüber hinaus gestaltet sich auch die Ablage der mikrooptischen Elemente schwierig und ein späteres Fügen mit optischen Fasern erfordert sehr aufwendige Justage-Schritte.

Lösung

Im Rahmen eines durch die Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projektes entwickelten Wissenschaftler der Universität Stuttgart ein Verfahren, mit dem mikrooptische Bauelemente einfach und hochpräzise direkt auf dem Ende einer Glasfaser hergestellt werden können. Selbst mehrlinsige Optiken können damit reproduzierbar auf das Glasfaserende aufgebracht werden.
Die Forscher nutzen hierbei die Möglichkeiten der dreidimensionalen Multiphotonen-Laserlithografie. Das Ende der Glasfaser wird mit einem Fotolack benetzt, anschließend wird der Schreibstrahl des Lithografie-systems mit dem neuen Verfahren sub-mikrometergenau auf das benetzte Ende der Glasfaser ausgerichtet, so dass der Koordinaten-Nullpunkt des Lithografiesystems im Mittel-punkt des Faserkerns liegt.
Durch den 3D-Schreibvorgang wird der Fotolack auf Basis des vorgegebenen Designs bereichsweise polymerisiert, der restliche Lack wird mithilfe eines Lösungsmittels vom Faserende entfernt.
Mithilfe des neuen Verfahrens können softwaregesteuert mikrooptische Elemente, deren Formgebung weitestgehend frei wählbar ist, direkt auf dem Ende einer Glasfaser hergestellt werden.

Optische Komponente auf einem Faserende [Bild: Universität Stuttgart].
Optische Komponente auf einem Faserende [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Direkte Herstellung optischer Komponenten unmittelbar auf dem Faserende
  • Herstellung von optischen Strukturen höher als 10 µm mit Auflösung von unter 1 µm
  • Herstellung verschiedener Optikdesigns ohne zusätzlichen Aufwand für Negativformen
  • Vielfältige Designmöglichkeiten der Mikrobauteile
  • Auch mehrlinsige Systeme realisierbar

Anwendungsbereiche

Die erfindungsgemäße Technik macht die Herstellung von Mikrooptiken mit Strukturen im Nanometerbereich direkt auf den axialen Enden von Glasfasern möglich und könnte somit bspw. zur Produktion von Endoskopen mit Abmessungen von unter 1 mm eingesetzt werden.

Publikationen und Verweise

  • Nature-Artikel der Erfinder zum Thema:

Li, J., Thiele, S., Quirk, B.C. et al. Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use. Light Sci Appl9, 124 (2020).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-020-00365-w

  • Presseartikel in medizin&technik: 3D-gedrucktes Mini-Endoskop zeigt Ader von innen

https://medizin-und-technik.industrie.de/3d-druck/3d-gedrucktes-mini-endoskop-zeigt-ader-von-innen/

Exposé
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Entwicklungsstand
Prototyp in Einsatzumgebung / TRL6
Patentsituation
DE 102015012980 B4 erteilt,
EP, US, CN anhängig
Referenznummer
15/029TLB
Service
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