V zadnjih letih se tehnologija 3D tiska vse pogosteje uporablja v različnih panogah, predvsem v precizni proizvodnji in optiki. Skupina raziskovalcev z Univerze v Stuttgartu v Nemčiji je nedavno naredilavelik prebojko so prvič dokazali, da je miniaturna optika, ki temelji na 3D-natisnjenih polimerih, sposobna prenesti toploto in moč, ki nastajata v laserju. To odkritje utira pot izdelavi poceni, kompaktnih in stabilnih laserskih virov, ki so izjemno pomembni v različnih scenarijih uporabe, zlasti v sistemih LIDAR, ki se uporabljajo v samovozečih avtomobilih.
Simon Angstenberger, vodja raziskovalne skupine na Inštitutu za fiziko IV na Univerzi v Stuttgartu, je dejal: "Z uporabo tehnologije 3D-tiskanja smo ustvarili visokokakovostno mikrooptiko neposredno na steklenih vlaknih znotraj laserja, kar je znatno zmanjšalo njegovo velikost . To je prvič, da je bila takšna 3D-natisnjena optika uporabljena v dejanskem laserju, kar v celoti dokazuje njihov visok prag tolerance poškodb in stabilnost."
V reviji Optics Letters ekipa podrobno opisuje, kako so 3D natisnili mikrooptiko neposredno na optično vlakno in tako tesno združili vlakno z laserskim kristalom v enem samem laserskem oscilatorju. Hibridni laser je lahko deloval stabilno pri 1063,4 nm z izhodno močjo več kot 20 mW in največjo izhodno močjo 37 mW.
Novi laser združuje kompaktnost, robustnost in nizkocenovne prednosti vlaknenih laserjev s prednostmi polprevodniških laserjev na osnovi kristalov, ki imajo širok razpon zmogljivosti, kot so različne moči in barve. Zasnova laserja, povezanega z vlakni, ki uporablja 3D-natisnjeno lečo, je prikazana na sliki 1.
Simon Angstenberger ugotavlja: »Doslej se je 3D-natisnjena optika uporabljala predvsem v scenarijih z nizko porabo energije, kot je endoskopija. Vendar pa prikazujemo potencial teh tehnologij za aplikacije z visoko močjo, kot sta fotolitografija in lasersko označevanje. da lahko ta 3D mikrooptika, natisnjena neposredno na optična vlakna, koncentrira velike količine svetlobe v eno samo točko, kar je zelo pomembno pri aplikacijah v medicini, kot je natančno uničenje rakavih celic."
Izdelava mikroleč neposredno na optičnih vlaknih
Inštitut za fiziko IV na Univerzi v Stuttgartu ima obsežne raziskovalne izkušnje na področju 3D-tiskane mikrooptike, s posebnim strokovnim znanjem in izkušnjami pri tiskanju neposredno na optična vlakna. Uporabljajo metodo 3D-tiskanja, imenovano "dvofotonska polimerizacija", pri kateri se infrardeči laser usmeri v UV-občutljiv fotorezist.
V žariščnem območju laserja se hkrati absorbirata dva infrardeča fotona, kar poveča UV odpornost. S premikanjem žariščne točke je mogoče z visoko natančnostjo ustvariti več oblik. Ta tehnologija ne omogoča le izdelave miniaturne optike, ampak tudi nove funkcije, kot je ustvarjanje optičnih elementov proste oblike ali kompleksnih sistemov leč.
Te 3D-natisnjene komponente so narejene iz polimerov in nismo bili prepričani, ali bodo zmožne prenesti velike količine toplote in optične moči, ki nastanejo v laserski votlini," pravi Simon Angstenberger. Vendar je bilo pozneje ugotovljeno, da ni bilo opaziti nobene škode na lečah tudi po daljšem večurnem delovanju laserja, kar dokazuje njihovo izjemno visoko stabilnost."
V tej zadnji študiji so raziskovalci uporabili 3D-tiskalnik podjetja Nanoscribe za izdelavo leč s premerom 0,25 mm in višino 80 μm na koncu optičnih vlaken enakega premera s pomočjo dveh fotonska polimerizacija (slika 2). Postopek zajema oblikovanje optike, vstavljanje vlakna v 3D tiskalnik in nato natančen tisk mikrostrukture na koncu vlakna, kar zahteva visoko stopnjo natančnosti pri poravnavi natisnjenih vlaken in pri samem tisku.
Ustvarjanje hibridnega laserja
Po končanem 3D tiskanju se je ekipa lotila sestavljanja laserja in laserske votline. Za razliko od tradicionalnih laserskih votlin, ki uporabljajo zajetna in draga zrcala, so uporabili vlakna, da so del votline, in tako ustvarili edinstven hibridni vlakno-kristalni laser. V tej zasnovi se uporabljajo miniaturne leče, natisnjene na koncu vlakna, za fokusiranje in zbiranje ali spajanje svetlobe, ki jo oddaja in sprejema laserski kristal. Da bi izboljšali stabilnost sistema in zmanjšali učinke zračne turbulence, so raziskovalci pritrdili vlakno na držalo. Predvsem kristal in natisnjena leča imata zelo kompaktno velikost 5 × 5 cm².
Z večurnim neprekinjenim snemanjem izhodne moči laserja so raziskovalci preverili, da ni prišlo do poslabšanja delovanja 3D-natisnjene optike v sistemu in da to ni vplivalo na dolgoročno operativno učinkovitost laserja. Poleg tega opazovanje optike v laserski votlini z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa ni pokazalo vidnih poškodb. Simon Angstenberger je opozoril: "Ugotovili smo, da je tiskana optika bolj stabilna v primerjavi s komercialno vlakneno Braggovo mrežo, ki smo jo uporabili, kar je na koncu omejilo našo največjo moč."
Raziskovalna skupina trenutno dela na optimizaciji učinkovitosti 3D-natisnjene optike. Načrtujejo uporabo večjih optičnih vlaken z optimiziranimi oblikami leč proste oblike in asferičnih leč ali poskusijo natisniti kombinacije leč neposredno na vlakno, da bi povečali izhodno moč. Hkrati nameravajo v laserjih uporabiti različne vrste kristalov, ki bodo omogočali prilagoditev in optimizacijo izhodnih karakteristik za specifične aplikacije.
