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进入 21 世纪以来，飞秒激光直写技术作为一种 3D 打印技术，改变了微光学领域，从简单的微透镜和消色差透镜到复杂性和表面质量不断提高的多透镜和多孔径物镜，这些快速这些进展反映出3D打印技术在微光学领域的巨大潜力。

艺术插图/来源：LAM新媒体工作组

光谱测量设备的小型化在医学工程、消费电子、微化学工程等领域开辟了新的应用渠道。

例如，可以从弯曲半径小于光纤的远端芯片内窥镜的尖端检索光谱，以探索其他无法进入的区域。

例如，由于其尺寸比智能手机相机的物镜小一到两个数量级（见图 2），与消费电子产品的集成显然有可能用于皮肤病诊断和伪钞检测等应用。

图 1. 3D 打印微型光谱仪（白框）与 iPhone5s 相机镜头的尺寸对比

例如，通过集成到微反应器平台中的 3D 打印显微光谱仪精确观察吸收和发射线，可以进一步减小化学微反应器的尺寸。

各种微型光谱仪的概念已经得到验证和商业化，这些光谱仪主要有三种类型：直接测量、计算重建和滤波。

类型 1：通过重新分配入射光产生空间光谱响应，可以用线性或图像传感器直接测量。

类型 2：生成混合但光谱相关的独特信号，可以从中通过计算重建原始光谱（波长多路复用）。

类型 3：将所有概念与每个滤波器贴片的窄带波长滤波相结合。

本文介绍的 3D 打印光谱仪属于第一类——直接测量光谱仪。

最近，德国斯图加特大学应用光学研究所的 Alois Herkommer 团队开发了一种角度不敏感的 3D 打印微型光谱仪，具有直接分离的空间光谱响应。 该光谱仪采用双光子激光直写技术结合超精细喷墨工艺制造。 它的体积小于 100 × 100 × 300 μm³，其定制和啁啾的高频光栅具有很强的色散行为。

图2 3D打印微型光谱仪剖视图，装配体积仅为100×100×300μm³

该成果发表在 Light: Advanced Manufacturing 杂志上，题为“3D 打印微型光谱仪，用于可见光范围，占地面积为 100×100μm²”。

经过两年的筹备，英文期刊于近日出版。 它专注于先进制造和交叉学科领域。 为国际光学顶级期刊Light: Science & Applications的子刊。 Andrea Toulouse是该论文的第一作者和通讯作者。

在这项研究中，研究人员从理论上评估并通过实验证明了 3D 打印光谱仪在 100 × 100 × 300 μm³ 微型体积中的可行性（图 3）。

图3 超精细喷墨打印原理，100×100×300 μm³光谱仪制作完成

这种微型光谱仪在490 nm至690 nm的可见光范围内的波长范围为200 nm光纤光谱仪的原理，在532 nm处的光谱分辨率为9.2±1.1 nm，在633 nm波长处的光谱分辨率为17.8±1.7 nm（图 4)。 在这个范围内，这种微型光谱仪是迄今为止报道的第一个具有直接空间光谱响应的光谱仪。

图 4. 微型光谱仪的空间光谱响应

与计算和滤波方法相比光纤光谱仪的原理，微型光谱仪对角度不敏感，并且具有相对较大的孔径 (50 × 50 μm²)。 这种光谱仪可以直接放置在探测器上，通过增加这种光谱仪的数量，以每个光谱仪为一个像素，实现快照高光谱成像。

文章信息

安德里亚·图卢兹、约翰内斯·德罗泽拉、西蒙·蒂勒、哈拉尔德·吉森、阿洛伊斯·赫科默。 占地面积为 100 × 100 μm² 的 3D 打印微型光谱仪 [J]. 光：先进制造。

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开放提交：Light: Advanced Manufacturing

ISSN2689-9620

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