Under de senaste åren har 3D-utskriftsteknik använts alltmer i en mängd olika branscher, särskilt inom precisionstillverkning och optik. Ett team av forskare från universitetet i Stuttgart i Tyskland gjorde nyligen enstort genombrottnär de för första gången visade att miniatyroptik baserad på 3D-printade polymerer klarar värmen och kraften som genereras inuti en laser. Denna upptäckt banar väg för tillverkning av billiga, kompakta och stabila laserkällor som är extremt viktiga i en mängd olika tillämpningsscenarier, särskilt i LIDAR-system som används i självkörande bilar.
Simon Angstenberger, chef för forskargruppen vid Institute of Physics IV vid universitetet i Stuttgart, sa: "Med hjälp av 3D-utskriftsteknik har vi skapat högkvalitativ mikrooptik direkt på glasfibrerna inuti lasern, vilket avsevärt minskat dess storlek. . Detta är första gången som sådan 3D-printad optik har använts i en verklig laser, vilket till fullo visar deras höga skadetoleranströskel och stabilitet."
I tidskriften Optics Letters beskriver teamet i detalj hur de 3D-printade mikrooptiken direkt på den optiska fibern, och därmed tätt kombinerade fibern med laserkristallen i en enda laseroscillator. Hybridlasern kunde fungera stabilt vid 1063,4 nm med en uteffekt på mer än 20 mW och en maximal uteffekt på 37 mW.
Den nya lasern kombinerar kompaktheten, robustheten och lågkostnadsfördelarna med fiberlasrar med fördelarna med kristallbaserade solid-state lasrar, som har ett brett utbud av prestandaegenskaper som olika krafter och färger. Utformningen av den fiberkopplade lasern som använder en 3D-printad lins visas i fig. 1.
Simon Angstenberger noterar: "Hittills har 3D-utskriven optik använts främst i lågeffektscenarier, såsom endoskopi. Vi visar dock potentialen hos dessa teknologier för högeffekttillämpningar, såsom för fotolitografi och lasermärkning. Vi visar att dessa 3D-mikrooptik som skrivs ut direkt på optiska fibrer kan koncentrera stora mängder ljus till en enda punkt, vilket är av stort värde i applikationer inom medicin, som den exakta förstörelsen av cancerceller."
Att göra mikroskala linser direkt på optiska fibrer
Institutet för fysik IV vid universitetet i Stuttgart har omfattande forskningserfarenhet inom området 3D-printad mikrooptik, med särskild expertis inom utskrift direkt på optiska fibrer. De använder en 3D-utskriftsmetod som kallas "tvåfotonpolymerisation", där en infraröd laser fokuseras till en UV-känslig fotoresist.
I laserns fokusområde absorberas två infraröda fotoner samtidigt, vilket ökar UV-beständigheten. Genom att flytta fokuspunkten kan flera former skapas med hög precision. Denna teknik möjliggör inte bara tillverkning av miniatyroptik utan också nya funktioner som skapandet av optiska element i fri form eller komplexa linssystem.
Dessa 3D-utskrivna komponenter är gjorda av polymerer och vi var osäkra på om de skulle klara de stora mängderna värme och optisk kraft som genereras i laserkaviteten", säger Simon Angstenberger. Men det visade sig senare att inga skador observerades. på linserna även efter att ha kört lasern under lång tid i flera timmar, vilket bevisar deras extremt höga stabilitet."
I denna senaste studie använde forskarna en 3D-skrivare tillverkad av Nanoscribe för att tillverka linser med en diameter på 0.25 mm och en höjd av 80 μm i änden av optiska fibrer med samma diameter med hjälp av två- fotonpolymerisation (fig. 2). Processen går ut på att designa optiken, föra in fibern i 3D-skrivaren och sedan exakt skriva ut mikrostrukturen i änden av fibern, vilket kräver en hög grad av noggrannhet i uppriktningen av de utskrivna fibrerna och i själva utskriften.
Skapa hybridlasern
Efter att 3D-utskriften var klar satte teamet igång med att montera lasern och laserkaviteten. Till skillnad från traditionella laserhålrum som använder skrymmande och dyra speglar, använde de fibrer för att utgöra en del av kaviteten, vilket skapade en unik hybridfiberkristalllaser. I denna design används miniatyrlinser tryckta på änden av fibern för att fokusera och samla eller koppla ljuset som sänds ut och tas emot av laserkristallen. För att förbättra systemets stabilitet och minska effekterna av luftturbulens fäste forskarna fibern på en hållare. Speciellt har kristallen och den tryckta linsen en mycket kompakt storlek på 5 × 5 cm².
Genom att kontinuerligt registrera laserns uteffekt under flera timmar, verifierade forskarna att det inte fanns någon försämring av prestandan hos den 3D-printade optiken i systemet och att det inte påverkade laserns långsiktiga operativa effektivitet. Dessutom avslöjade observation av optiken i laserkaviteten med ett svepelektronmikroskop inga synliga skador. Simon Angstenberger noterade, "Vi fann att den tryckta optiken var mer stabil jämfört med det kommersiella fiber Bragg-gittret vi använde, vilket i slutändan begränsade vår maximala effekt."
Forskargruppen arbetar för närvarande med att optimera effektiviteten hos 3D-printad optik. De planerar att använda större optiska fibrer med optimerad friformslins och asfärisk linsdesign eller försöka skriva ut linskombinationer direkt på fibern för att öka uteffekten. Samtidigt planerar de att använda olika typer av kristaller i lasrarna, vilket kommer att möjliggöra anpassning och optimering av utdataegenskaper för specifika applikationer.
