През последните години технологията за 3D печат се използва все повече в различни индустрии, особено в прецизното производство и оптиката. Екип от изследователи от университета в Щутгарт в Германия наскоро направи aосновен пробивкогато демонстрираха за първи път, че миниатюрна оптика, базирана на 3D отпечатани полимери, е в състояние да издържи на топлината и мощността, генерирани в лазера. Това откритие проправя пътя за производството на евтини, компактни и стабилни лазерни източници, които са изключително важни в различни сценарии на приложение, особено в системите LIDAR, използвани в самоуправляващите се автомобили.
Саймън Ангстенбергер, ръководител на изследователския екип в Института по физика IV към Университета в Щутгарт, каза: „Използвайки технологията за 3D печат, създадохме висококачествена микрооптика директно върху стъклените влакна вътре в лазера, намалявайки значително размера му . Това е първият път, когато такава 3D отпечатана оптика е била използвана в действителен лазер, демонстрирайки напълно техния висок праг на поносимост и стабилност."
В списанието Optics Letters екипът описва подробно как са отпечатали 3D микрооптиката директно върху оптичното влакно, като по този начин тясно комбинират влакното с лазерния кристал в един лазерен осцилатор. Хибридният лазер успя да работи стабилно при 1063,4 nm с изходна мощност над 20 mW и максимална изходна мощност от 37 mW.
Новият лазер съчетава предимствата на компактността, здравината и ниската цена на фибровлакнестите лазери с предимствата на кристално базираните твърдотелни лазери, които имат широк спектър от работни характеристики като различни мощности и цветове. Дизайнът на влакнесто-свързания лазер, използващ 3D отпечатан обектив, е показан на фиг. 1.
Саймън Ангстенбергер отбелязва: „Досега 3D отпечатаната оптика е била използвана главно в сценарии с ниска мощност, като ендоскопия. Ние обаче демонстрираме потенциала на тези технологии за приложения с висока мощност, като фотолитография и лазерно маркиране. Ние показваме че тази 3D микрооптика, отпечатана директно върху оптични влакна, може да концентрира големи количества светлина в една точка, което е от голяма стойност в приложенията в медицината, като например прецизното унищожаване на ракови клетки."
Изработване на микромащабни лещи директно върху оптични влакна
Институтът по физика IV към университета в Щутгарт има богат изследователски опит в областта на 3D-отпечатаната микрооптика, с особен опит в печата директно върху оптични влакна. Те използват метод за 3D печат, наречен "двуфотонна полимеризация", при който инфрачервен лазер се фокусира в UV-чувствителен фоторезист.
Във фокусната зона на лазера два инфрачервени фотона се абсорбират едновременно, което повишава UV устойчивостта. Чрез преместване на фокусната точка могат да бъдат създадени множество форми с висока точност. Тази технология позволява не само производството на миниатюрна оптика, но и нови функции като създаването на оптични елементи със свободна форма или сложни системи от лещи.
Тези 3D отпечатани компоненти са изработени от полимери и не бяхме сигурни дали ще могат да издържат на големите количества топлина и оптична мощност, генерирани в лазерната кухина", казва Саймън Ангстенбергер. По-късно обаче беше установено, че не са наблюдавани повреди върху лещите дори след продължителна работа на лазера в продължение на няколко часа, което доказва тяхната изключително висока стабилност."
В това последно проучване изследователите са използвали 3D принтер, произведен от Nanoscribe, за да произведат лещи с диаметър 0.25 mm и височина 80 μm в края на оптични влакна със същия диаметър посредством две фотонна полимеризация (фиг. 2). Процесът включва проектиране на оптиката, вкарване на влакното в 3D принтера и след това прецизно отпечатване на микроструктурата в края на влакното, което изисква висока степен на точност при подравняването на отпечатаните влакна и при самото отпечатване.
Създаване на хибриден лазер
След завършване на 3D отпечатването екипът се зае със сглобяването на лазера и лазерната кухина. За разлика от традиционните лазерни кухини, които използват обемисти и скъпи огледала, те са използвали влакна, за да формират част от кухината, създавайки уникален хибриден влакнесто-кристален лазер. В този дизайн миниатюрни лещи, отпечатани на края на влакното, се използват за фокусиране и събиране или свързване на светлината, излъчвана и получавана от лазерния кристал. За да подобрят стабилността на системата и да намалят ефектите от турбуленцията на въздуха, изследователите закрепиха влакното към държач. Трябва да се отбележи, че кристалът и отпечатаната леща имат много компактен размер от 5 × 5 cm².
Чрез непрекъснато записване на изходната мощност на лазера в продължение на няколко часа, изследователите потвърдиха, че няма влошаване на производителността на 3D-отпечатаната оптика в системата и че това не се отразява на дългосрочната оперативна ефективност на лазера. В допълнение, наблюдението на оптиката в лазерната кухина с помощта на сканиращ електронен микроскоп не разкрива видими повреди. Саймън Ангстенбергер отбеляза: „Открихме, че печатната оптика е по-стабилна в сравнение с използваната от търговската мрежа Браг решетка с влакна, което в крайна сметка ограничи максималната ни мощност.“
Изследователският екип в момента работи за оптимизиране на ефективността на 3D-отпечатаната оптика. Те планират да използват по-големи оптични влакна с оптимизиран дизайн на лещи със свободна форма и асферични лещи или да се опитат да отпечатат комбинации от лещи директно върху влакното, за да увеличат изходната мощност. В същото време те планират да използват различни видове кристали в лазерите, което ще позволи персонализиране и оптимизиране на изходните характеристики за специфични приложения.
