De afgelopen jaren wordt 3D-printtechnologie steeds vaker gebruikt in een verscheidenheid aan industrieën, vooral in de precisieproductie en optica. Een team onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland heeft onlangs eengrote doorbraaktoen ze voor het eerst aantoonden dat miniatuuroptiek op basis van 3D-geprinte polymeren bestand is tegen de hitte en kracht die in een laser wordt gegenereerd. Deze ontdekking maakt de weg vrij voor de fabricage van goedkope, compacte en stabiele laserbronnen die uiterst belangrijk zijn in een verscheidenheid aan toepassingsscenario's, vooral in LIDAR-systemen die worden gebruikt in zelfrijdende auto's.
Simon Angstenberger, hoofd van het onderzoeksteam van het Institute of Physics IV van de Universiteit van Stuttgart, zei: "Met behulp van 3D-printtechnologie hebben we hoogwaardige micro-optica rechtstreeks op de glasvezels in de laser gecreëerd, waardoor de omvang ervan aanzienlijk is verkleind Dit is de eerste keer dat dergelijke 3D-geprinte optica in een echte laser wordt gebruikt, wat hun hoge schadetolerantiedrempel en stabiliteit volledig aantoont."
In het tijdschrift Optics Letters beschrijft het team in detail hoe ze de micro-optica rechtstreeks op de optische vezel 3D-printten, waardoor de vezel nauw werd gecombineerd met het laserkristal in een enkele laseroscillator. De hybride laser kon stabiel werken op 1063,4 nm met een uitgangsvermogen van ruim 20 mW en een maximaal uitgangsvermogen van 37 mW.
De nieuwe laser combineert de compactheid, robuustheid en goedkope voordelen van fiberlasers met de voordelen van op kristallen gebaseerde vastestoflasers, die een breed scala aan prestatiekenmerken hebben, zoals verschillende vermogens en kleuren. Het ontwerp van de vezelgekoppelde laser met behulp van een 3D-geprinte lens wordt getoond in figuur 1.
Simon Angstenberger merkt op: "Tot nu toe zijn 3D-geprinte optica voornamelijk gebruikt in scenario's met laag vermogen, zoals endoscopie. We demonstreren echter het potentieel van deze technologieën voor toepassingen met hoog vermogen, zoals voor fotolithografie en lasermarkering. We laten het zien. dat deze 3D-micro-optica die rechtstreeks op optische vezels zijn geprint, grote hoeveelheden licht op één punt kunnen concentreren, wat van grote waarde is bij toepassingen in de geneeskunde, zoals de precieze vernietiging van kankercellen."
Lenzen op microschaal rechtstreeks op optische vezels maken
Het Institute of Physics IV van de Universiteit van Stuttgart heeft uitgebreide onderzoekservaring op het gebied van 3D-geprinte micro-optica, met bijzondere expertise in het direct printen op optische vezels. Ze gebruiken een 3D-printmethode genaamd "twee-fotonenpolymerisatie", waarbij een infraroodlaser wordt gefocusseerd in een UV-gevoelige fotoresist.
In het brandpuntsgebied van de laser worden tegelijkertijd twee infraroodfotonen geabsorbeerd, wat de UV-bestendigheid verbetert. Door het focuspunt te verplaatsen kunnen met hoge precisie meerdere vormen worden gecreëerd. Deze technologie maakt niet alleen de vervaardiging van miniatuuroptiek mogelijk, maar ook nieuwe functies zoals het creëren van optische elementen met vrije vorm of complexe lenssystemen.
Deze 3D-geprinte componenten zijn gemaakt van polymeren en we wisten niet zeker of ze bestand zouden zijn tegen de grote hoeveelheden warmte en optisch vermogen die in de laserholte worden gegenereerd”, zegt Simon Angstenberger. Later bleek echter dat er geen schade was waargenomen. op de lenzen, zelfs nadat de laser gedurende een lange periode van meerdere uren is gebruikt, wat hun extreem hoge stabiliteit bewijst."
In dit laatste onderzoek gebruikten de onderzoekers een 3D-printer vervaardigd door Nanoscribe om lenzen te vervaardigen met een diameter van 0.25 mm en een hoogte van 80 μm aan het uiteinde van optische vezels met dezelfde diameter door middel van twee fotonenpolymerisatie (Fig. 2). Het proces omvat het ontwerpen van de optica, het inbrengen van de vezel in de 3D-printer en het vervolgens nauwkeurig printen van de microstructuur aan het uiteinde van de vezel, wat een hoge mate van nauwkeurigheid vereist bij de uitlijning van de geprinte vezels en bij het printen zelf.
Het creëren van de hybride laser
Nadat het 3D-printen voltooid was, begon het team met het assembleren van de laser en de laserholte. In tegenstelling tot traditionele laserholten die gebruik maken van omvangrijke en dure spiegels, gebruikten ze vezels om deel uit te maken van de holte, waardoor een unieke hybride vezel-kristallaser ontstond. In dit ontwerp worden miniatuurlenzen gebruikt die op het uiteinde van de vezel zijn gedrukt om het door het laserkristal uitgezonden en ontvangen licht te focusseren en te verzamelen of te koppelen. Om de stabiliteit van het systeem te verbeteren en de effecten van luchtturbulentie te verminderen, bevestigden de onderzoekers de vezel aan een houder. Opvallend is dat het kristal en de bedrukte lens een zeer compact formaat hebben van 5×5 cm².
Door het uitgangsvermogen van de laser gedurende enkele uren continu te registreren, konden de onderzoekers vaststellen dat er geen verslechtering was in de prestaties van de 3D-geprinte optica in het systeem en dat dit de operationele effectiviteit van de laser op de lange termijn niet beïnvloedde. Bovendien bracht observatie van de optica in de laserholte met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop geen zichtbare schade aan het licht. Simon Angstenberger merkte op: "We ontdekten dat de gedrukte optica stabieler was vergeleken met het commerciële Bragg-vezelrooster dat we gebruikten, wat uiteindelijk ons maximale vermogen beperkte."
Het onderzoeksteam werkt momenteel aan het optimaliseren van de efficiëntie van 3D-geprinte optica. Ze zijn van plan grotere optische vezels te gebruiken met geoptimaliseerde vrije-vormlens- en asferische lensontwerpen of proberen lenscombinaties rechtstreeks op de vezel te printen om het uitgangsvermogen te vergroten. Tegelijkertijd zijn ze van plan om verschillende soorten kristallen in de lasers te gebruiken, waardoor aanpassing en optimalisatie van de uitvoerkarakteristieken voor specifieke toepassingen mogelijk wordt.
