I de senere år er 3D-printteknologi i stigende grad blevet brugt i en række forskellige industrier, især inden for præcisionsfremstilling og optik. Et team af forskere fra universitetet i Stuttgart i Tyskland lavede for nylig enstort gennembrudda de for første gang demonstrerede, at miniatureoptik baseret på 3D-printede polymerer er i stand til at modstå den varme og strøm, der genereres inde i en laser. Denne opdagelse baner vejen for fremstillingen af billige, kompakte og stabile laserkilder, der er ekstremt vigtige i en række anvendelsesscenarier, især i LIDAR-systemer, der bruges i selvkørende biler.
Simon Angstenberger, leder af forskerholdet ved Institute of Physics IV ved University of Stuttgart, sagde: "Ved at bruge 3D-printteknologi har vi skabt højkvalitets mikrooptik direkte på glasfibrene inde i laseren, hvilket reducerer dens størrelse betydeligt. Dette er første gang, at en sådan 3D-printet optik er blevet brugt i en egentlig laser, hvilket fuldt ud demonstrerer deres høje skadestolerancetærskel og stabilitet."
I tidsskriftet Optics Letters beskriver holdet i detaljer, hvordan de 3D-printede mikro-optikken direkte på den optiske fiber og dermed tæt kombinerede fiberen med laserkrystallen i en enkelt laseroscillator. Hybridlaseren var i stand til at fungere stabilt ved 1063,4 nm med en udgangseffekt på mere end 20 mW og en maksimal udgangseffekt på 37 mW.
Den nye laser kombinerer kompaktheden, robustheden og de lave omkostninger ved fiberlasere med fordelene ved krystalbaserede solid-state lasere, som har en bred vifte af ydeevnekarakteristika såsom forskellige styrker og farver. Designet af den fiberkoblede laser ved hjælp af en 3D-printet linse er vist i fig.
Simon Angstenberger bemærker, "Hidtil er 3D-printet optik hovedsageligt blevet brugt i laveffektscenarier, såsom endoskopi. Men vi demonstrerer potentialet i disse teknologier til højeffektapplikationer, såsom til fotolitografi og lasermærkning. Vi viser at disse 3D-mikrooptik printet direkte på optiske fibre kan koncentrere store mængder lys til et enkelt punkt, hvilket er af stor værdi i applikationer inden for medicin, såsom den præcise ødelæggelse af kræftceller."
Fremstilling af mikroskala linser direkte på optiske fibre
Institut for Fysik IV ved universitetet i Stuttgart har omfattende forskningserfaring inden for 3D-printet mikrooptik, med særlig ekspertise i print direkte på optiske fibre. De bruger en 3D-printmetode kaldet "to-foton polymerisation", hvor en infrarød laser fokuseres ind i en UV-følsom fotoresist.
I laserens brændområde absorberes to infrarøde fotoner på samme tid, hvilket øger UV-modstanden. Ved at flytte fokuspunktet kan der skabes flere former med høj præcision. Denne teknologi muliggør ikke kun fremstillingen af miniatureoptik, men også nye funktioner, såsom skabelsen af optiske elementer i fri form eller komplekse linsesystemer.
Disse 3D-printede komponenter er lavet af polymerer, og vi var usikre på, om de ville være i stand til at modstå de store mængder varme og optisk strøm, der genereres i laserhulrummet," siger Simon Angstenberger. Men det viste sig senere, at der ikke blev observeret skader. på linserne selv efter at have kørt laseren i længere tid i flere timer, hvilket beviser deres ekstremt høje stabilitet."
I denne seneste undersøgelse brugte forskerne en 3D-printer fremstillet af Nanoscribe til at fremstille linser med en diameter på 0.25 mm og en højde på 80 μm for enden af optiske fibre med samme diameter ved hjælp af to- fotonpolymerisation (fig. 2). Processen går ud på at designe optikken, indsætte fiberen i 3D-printeren og derefter præcist printe mikrostrukturen for enden af fiberen, hvilket kræver en høj grad af nøjagtighed i opretningen af de printede fibre og i selve printningen.
Oprettelse af hybridlaseren
Efter at 3D-printningen var færdig, gik teamet i gang med at samle laseren og laserhulrummet. I modsætning til traditionelle laserhulrum, der bruger voluminøse og dyre spejle, brugte de fibre til at danne en del af hulrummet, hvilket skabte en unik hybrid fiber-krystallaser. I dette design bruges miniaturelinser trykt på enden af fiberen til at fokusere og opsamle eller koble det lys, der udsendes og modtages af laserkrystallen. For at forbedre systemets stabilitet og reducere virkningerne af luftturbulens fastgjorde forskerne fiberen til en holder. Især har krystallen og den printede linse en meget kompakt størrelse på 5 × 5 cm².
Ved kontinuerligt at registrere laserens udgangseffekt i flere timer, bekræftede forskerne, at der ikke var nogen forringelse af ydeevnen af den 3D-printede optik i systemet, og at det ikke påvirkede laserens langsigtede operationelle effektivitet. Derudover afslørede observation af optikken i laserhulrummet ved hjælp af et scanningselektronmikroskop ingen synlig skade. Simon Angstenberger bemærkede, "Vi fandt ud af, at den trykte optik var mere stabil sammenlignet med det kommercielle Bragg-fibergitter, vi brugte, hvilket i sidste ende begrænsede vores maksimale effekt."
Forskerholdet arbejder i øjeblikket på at optimere effektiviteten af 3D-printet optik. De planlægger at bruge større optiske fibre med optimeret fri-form linse og asfærisk linsedesign eller forsøge at printe linsekombinationer direkte på fiberen for at øge udgangseffekten. Samtidig planlægger de at bruge forskellige slags krystaller i laserne, hvilket vil muliggøre tilpasning og optimering af output-karakteristika til specifikke applikationer.
