В останні роки технологія 3D-друку все частіше використовується в різних галузях промисловості, особливо в точному виробництві та оптиці. Група дослідників зі Штутгартського університету в Німеччині нещодавно створила aвеликий проривколи вони вперше продемонстрували, що мініатюрна оптика на основі 3D-друкованих полімерів здатна протистояти теплу та потужності, які виробляються всередині лазера. Це відкриття прокладає шлях до виготовлення недорогих, компактних і стабільних лазерних джерел, які є надзвичайно важливими в різноманітних сценаріях застосування, особливо в системах LIDAR, які використовуються в безпілотних автомобілях.
Саймон Ангстенбергер, керівник дослідницької групи Інституту фізики IV Університету Штутгарта, сказав: «Використовуючи технологію 3D-друку, ми створили високоякісну мікрооптику безпосередньо на скляних волокнах всередині лазера, значно зменшивши її розмір. . Це перший випадок, коли така 3D-друкована оптика була використана в реальному лазері, повністю демонструючи їх високий поріг толерантності до пошкоджень і стабільність».
У журналі Optics Letters команда детально описує, як вони 3D-друкували мікрооптику безпосередньо на оптичному волокні, таким чином щільно поєднуючи волокно з лазерним кристалом в одному лазерному осциляторі. Гібридний лазер зміг стабільно працювати на 1063,4 нм з вихідною потужністю понад 20 мВт і максимальною вихідною потужністю 37 мВт.
Новий лазер поєднує в собі компактність, міцність і низьку вартість переваг волоконних лазерів з перевагами твердотільних лазерів на кристалічній основі, які мають широкий діапазон робочих характеристик, таких як різні потужності та кольори. Конструкція волоконно-зв’язаного лазера з використанням 3D-друкованої лінзи показана на рис. 1.
Саймон Ангстенбергер зазначає: «Поки що 3D-друкована оптика використовувалася переважно в сценаріях з низьким енергоспоживанням, таких як ендоскопія. Однак ми демонструємо потенціал цих технологій для потужних застосувань, таких як фотолітографія та лазерне маркування. Ми показуємо що ця 3D-мікрооптика, надрукована безпосередньо на оптичних волокнах, може концентрувати велику кількість світла в одній точці, що має велике значення для застосування в медицині, наприклад, для точного знищення ракових клітин».
Виготовлення мікролінз безпосередньо на оптичних волокнах
Інститут фізики IV Університету Штутгарта має значний досвід досліджень у галузі мікрооптики, надрукованої на 3D-друкі, з особливим досвідом друку безпосередньо на оптичних волокнах. Вони використовують метод 3D-друку під назвою «двофотонна полімеризація», під час якого інфрачервоний лазер фокусується на чутливому до УФ-променів фоторезисті.
У фокусній зоні лазера одночасно поглинаються два інфрачервоні фотони, що підвищує стійкість до ультрафіолету. Переміщаючи фокусну точку, можна створити кілька форм із високою точністю. Ця технологія дозволяє не тільки виготовляти мініатюрну оптику, але й нові функції, такі як створення оптичних елементів вільної форми або складних систем лінз.
Ці надруковані на 3D-принтері компоненти зроблені з полімерів, і ми не були впевнені, чи зможуть вони витримати велику кількість тепла та оптичної потужності, що генерується в порожнині лазера», — говорить Саймон Ангстенбергер. Однак пізніше виявилося, що пошкоджень не спостерігалося. на лінзах навіть після роботи лазера протягом тривалого періоду часу протягом кількох годин, що доводить їх надзвичайно високу стабільність».
У цьому останньому дослідженні дослідники використовували 3D-принтер, виготовлений компанією Nanoscribe, для виготовлення лінз діаметром 0,25 мм і висотою 80 мкм на кінці оптичних волокон такого ж діаметру за допомогою двох фотонна полімеризація (рис. 2). Процес передбачає розробку оптики, вставлення волокна в 3D-принтер, а потім точний друк мікроструктури на кінці волокна, що вимагає високого ступеня точності у вирівнюванні надрукованих волокон і в самому друку.
Створення гібридного лазера
Після завершення 3D-друку команда взялася за збірку лазера та лазерної порожнини. На відміну від традиційних лазерних резонаторів, які використовують громіздкі та дорогі дзеркала, вони використовували волокна для формування частини резонатора, створюючи унікальний гібридний волоконно-кристалічний лазер. У цій конструкції мініатюрні лінзи, надруковані на кінці волокна, використовуються для фокусування та збору або поєднання світла, яке випромінює та приймає лазерний кристал. Щоб підвищити стабільність системи та зменшити вплив турбулентності повітря, дослідники закріпили волокно на тримачі. Примітно, що кристал і друкована лінза мають дуже компактні розміри 5 × 5 см².
Безперервно записуючи вихідну потужність лазера протягом кількох годин, дослідники перевірили, що не було погіршення продуктивності 3D-друкованої оптики в системі та що це не вплинуло на довгострокову ефективність роботи лазера. Крім того, спостереження за оптикою в лазерному резонаторі за допомогою скануючого електронного мікроскопа не виявило видимих пошкоджень. Саймон Ангстенбергер зазначив: «Ми виявили, що друкована оптика була більш стабільною порівняно з комерційною волоконно-волоконною ґраткою Брегга, яку ми використовували, що зрештою обмежувало нашу максимальну потужність».
Зараз дослідницька група працює над оптимізацією ефективності 3D-друкованої оптики. Вони планують використовувати більші оптичні волокна з оптимізованими лінзами вільної форми та асферичними лінзами або спробувати надрукувати комбінації лінз безпосередньо на волокні, щоб підвищити вихідну потужність. У той же час вони планують використовувати в лазерах різні типи кристалів, що дозволить налаштувати та оптимізувати вихідні характеристики для конкретних застосувань.
