В последние годы технология 3D-печати все чаще используется в различных отраслях промышленности, особенно в точном производстве и оптике. Группа исследователей из Штутгартского университета в Германии недавно провела исследование.крупный прорывкогда они впервые продемонстрировали, что миниатюрная оптика на основе полимеров, напечатанных на 3D-принтере, способна выдерживать тепло и мощность, генерируемые внутри лазера. Это открытие открывает путь к созданию недорогих, компактных и стабильных лазерных источников, которые чрезвычайно важны в различных сценариях применения, особенно в системах LIDAR, используемых в беспилотных автомобилях.
Саймон Ангстенбергер, руководитель исследовательской группы Института физики IV Штутгартского университета, сказал: «Используя технологию 3D-печати, мы создали высококачественную микрооптику непосредственно на стеклянных волокнах внутри лазера, значительно уменьшив ее размер. Это первый случай, когда такая 3D-печатная оптика используется в настоящем лазере, полностью демонстрируя ее высокий порог устойчивости к повреждениям и стабильность».
В журнале Optics Letters команда подробно описывает, как они напечатали микрооптику в 3D непосредственно на оптическом волокне, таким образом плотно объединив волокно с лазерным кристаллом в одном лазерном генераторе. Гибридный лазер смог стабильно работать на длине волны 1063,4 нм с выходной мощностью более 20 мВт и максимальной выходной мощностью 37 мВт.
Новый лазер сочетает в себе компактность, надежность и низкую стоимость волоконных лазеров с преимуществами твердотельных лазеров на кристаллической основе, которые имеют широкий диапазон рабочих характеристик, таких как различная мощность и цвет. Конструкция волоконного лазера с использованием линзы, напечатанной на 3D-принтере, показана на рис. 1.
Саймон Ангстенбергер отмечает: «До сих пор 3D-печатная оптика использовалась в основном в сценариях с низким энергопотреблением, таких как эндоскопия. Однако мы демонстрируем потенциал этих технологий для приложений с высокой мощностью, таких как фотолитография и лазерная маркировка. Мы показываем что эта 3D-микрооптика, напечатанная непосредственно на оптических волокнах, может концентрировать большое количество света в одной точке, что имеет большую ценность в медицинских приложениях, таких как точное разрушение раковых клеток».
Изготовление микролинз непосредственно на оптических волокнах
Институт физики IV Штутгартского университета имеет обширный опыт исследований в области 3D-печатной микрооптики, в частности, в области печати непосредственно на оптических волокнах. Они используют метод 3D-печати, называемый «двухфотонной полимеризацией», при котором инфракрасный лазер фокусируется на фоторезисте, чувствительном к УФ-излучению.
В фокусе лазера одновременно поглощаются два инфракрасных фотона, что повышает устойчивость к ультрафиолету. Перемещая фокусную точку, можно с высокой точностью создать несколько фигур. Эта технология позволяет не только изготавливать миниатюрную оптику, но и выполнять новые функции, такие как создание оптических элементов произвольной формы или сложных систем линз.
Эти напечатанные на 3D-принтере компоненты изготовлены из полимеров, и мы не были уверены, смогут ли они выдержать большое количество тепла и оптической энергии, генерируемой в резонаторе лазера», — говорит Саймон Ангстенбергер. Однако позже выяснилось, что никаких повреждений не наблюдалось. на линзах даже после длительного воздействия лазера в течение нескольких часов, что доказывает их чрезвычайно высокую стабильность».
В этом последнем исследовании исследователи использовали 3D-принтер производства Nanoscribe для изготовления линз диаметром 0,25 мм и высотой 80 мкм на концах оптических волокон того же диаметра с помощью двух- фотонная полимеризация (рис. 2). Процесс включает в себя проектирование оптики, установку волокна в 3D-принтер, а затем точную печать микроструктуры на конце волокна, что требует высокой степени точности выравнивания напечатанных волокон и самой печати.
Создание гибридного лазера
После завершения 3D-печати команда приступила к сборке лазера и лазерной полости. В отличие от традиционных лазерных резонаторов, в которых используются громоздкие и дорогие зеркала, они использовали волокна, образующие часть резонатора, создавая уникальный гибридный волоконно-кристаллический лазер. В этой конструкции миниатюрные линзы, напечатанные на конце волокна, используются для фокусировки и сбора или объединения света, излучаемого и принимаемого лазерным кристаллом. Чтобы улучшить стабильность системы и уменьшить влияние турбулентности воздуха, исследователи закрепили волокно в держателе. Примечательно, что кристалл и напечатанная линза имеют очень компактные размеры — 5 × 5 см².
Непрерывно записывая выходную мощность лазера в течение нескольких часов, исследователи подтвердили, что производительность 3D-печатной оптики в системе не ухудшилась и что это не повлияло на долгосрочную эксплуатационную эффективность лазера. Кроме того, осмотр оптики в резонаторе лазера с помощью сканирующего электронного микроскопа не выявил видимых повреждений. Саймон Ангстенбергер отметил: «Мы обнаружили, что печатная оптика более стабильна по сравнению с используемой нами коммерческой оптоволоконной решеткой Брэгга, что в конечном итоге ограничивает нашу максимальную мощность».
В настоящее время исследовательская группа работает над оптимизацией эффективности 3D-печатной оптики. Они планируют использовать оптические волокна большего размера с оптимизированными линзами произвольной формы и асферическими линзами или попытаться напечатать комбинации линз непосредственно на волокне, чтобы повысить выходную мощность. При этом в лазерах планируют использовать различные виды кристаллов, что позволит настраивать и оптимизировать выходные характеристики для конкретных приложений.
