De siste årene har 3D-utskriftsteknologi blitt brukt i økende grad i en rekke bransjer, spesielt innen presisjonsproduksjon og optikk. Et team av forskere fra universitetet i Stuttgart i Tyskland har nylig laget enstort gjennombruddda de for første gang demonstrerte at miniatyroptikk basert på 3D-printede polymerer er i stand til å motstå varmen og kraften som genereres inne i en laser. Denne oppdagelsen baner vei for fabrikasjon av rimelige, kompakte og stabile laserkilder som er ekstremt viktige i en rekke bruksscenarier, spesielt i LIDAR-systemer som brukes i selvkjørende biler.
Simon Angstenberger, leder for forskerteamet ved Institute of Physics IV ved Universitetet i Stuttgart, sa: "Ved bruk av 3D-utskriftsteknologi har vi laget mikrooptikk av høy kvalitet direkte på glassfibrene inne i laseren, noe som har redusert størrelsen betydelig. . Dette er første gang slik 3D-printet optikk har blitt brukt i en faktisk laser, og demonstrerer fullt ut deres høye skadetoleranseterskel og stabilitet."
I tidsskriftet Optics Letters beskriver teamet i detalj hvordan de 3D-printet mikrooptikken direkte på den optiske fiberen, og dermed tett kombinere fiberen med laserkrystallen i en enkelt laseroscillator. Hybridlaseren var i stand til å operere stabilt ved 1063,4 nm med en utgangseffekt på mer enn 20 mW og en maksimal utgangseffekt på 37 mW.
Den nye laseren kombinerer kompaktheten, robustheten og de rimelige fordelene til fiberlasere med fordelene til krystallbaserte solid-state lasere, som har et bredt spekter av ytelsesegenskaper som forskjellige styrker og farger. Utformingen av den fiberkoblede laseren ved bruk av en 3D-printet linse er vist i fig. 1.
Simon Angstenberger bemerker: "Så langt har 3D-printet optikk blitt brukt hovedsakelig i laveffektscenarier, som for eksempel endoskopi. Vi viser imidlertid potensialet til disse teknologiene for høyeffektapplikasjoner, som for fotolitografi og lasermerking. Vi viser at disse 3D-mikrooptikkene som er trykt direkte på optiske fibre kan konsentrere store mengder lys til et enkelt punkt, noe som er av stor verdi i applikasjoner innen medisin, for eksempel nøyaktig ødeleggelse av kreftceller."
Å lage mikroskala linser direkte på optiske fibre
Institutt for fysikk IV ved Universitetet i Stuttgart har omfattende forskningserfaring innen 3D-printet mikrooptikk, med spesiell ekspertise på utskrift direkte på optiske fibre. De bruker en 3D-utskriftsmetode kalt "to-foton polymerisering", der en infrarød laser fokuseres inn i en UV-sensitiv fotoresist.
I fokusområdet til laseren absorberes to infrarøde fotoner samtidig, noe som øker UV-motstanden. Ved å flytte fokuspunktet kan flere former lages med høy presisjon. Denne teknologien muliggjør ikke bare fabrikasjon av miniatyroptikk, men også nye funksjoner som å lage optiske elementer i fri form eller komplekse linsesystemer.
Disse 3D-printede komponentene er laget av polymerer, og vi var usikre på om de ville være i stand til å tåle de store mengdene varme og optisk kraft som genereres i laserhulrommet, sier Simon Angstenberger. Men det ble senere funnet at ingen skade ble observert. på linsene selv etter å ha kjørt laseren over lang tid i flere timer, noe som beviser deres ekstremt høye stabilitet."
I denne siste studien brukte forskerne en 3D-printer produsert av Nanoscribe for å fremstille linser med en diameter på 0.25 mm og en høyde på 80 μm på enden av optiske fibre med samme diameter ved hjelp av to- fotonpolymerisasjon (fig. 2). Prosessen går ut på å designe optikken, sette fiberen inn i 3D-printeren og deretter presist skrive ut mikrostrukturen i enden av fiberen, noe som krever høy grad av nøyaktighet i justeringen av de printede fibrene og i selve utskriften.
Opprette hybridlaseren
Etter at 3D-printingen var fullført, begynte teamet å sette sammen laseren og laserhulen. I motsetning til tradisjonelle laserhulrom som bruker store og dyre speil, brukte de fibre til å danne en del av hulrommet, og skapte en unik hybrid fiber-krystalllaser. I dette designet brukes miniatyrlinser trykt på enden av fiberen til å fokusere og samle eller koble lyset som sendes ut og mottas av laserkrystallen. For å forbedre stabiliteten til systemet og redusere effekten av luftturbulens, festet forskerne fiberen til en holder. Spesielt har krystallen og den trykte linsen en veldig kompakt størrelse på 5 × 5 cm².
Ved kontinuerlig å registrere utgangseffekten til laseren i flere timer, bekreftet forskerne at det ikke var noen forringelse av ytelsen til den 3D-printede optikken i systemet, og at det ikke påvirket den langsiktige operasjonelle effektiviteten til laseren. I tillegg avslørte observasjon av optikken i laserhulen ved hjelp av et skanningselektronmikroskop ingen synlig skade. Simon Angstenberger bemerket: "Vi fant ut at den trykte optikken var mer stabil sammenlignet med det kommersielle fiber Bragg-risten vi brukte, som til slutt begrenset vår maksimale kraft."
Forskerteamet jobber for tiden med å optimalisere effektiviteten til 3D-printet optikk. De planlegger å bruke større optiske fibre med optimert fri-form linse og asfærisk linsedesign eller prøve å skrive ut linsekombinasjoner direkte på fiberen for å øke utgangseffekten. Samtidig planlegger de å bruke forskjellige typer krystaller i laserne, noe som vil muliggjøre tilpasning og optimalisering av utgangsegenskaper for spesifikke applikasjoner.
