Posljednjih godina tehnologija 3D printanja se sve više koristi u raznim industrijama, posebno u preciznoj proizvodnji i optici. Tim istraživača sa Univerziteta u Stuttgartu u Njemačkoj nedavno je napravio aveliki napredakkada su po prvi put pokazali da minijaturna optika zasnovana na 3D štampanim polimerima može da izdrži toplotu i snagu generisanu unutar lasera. Ovo otkriće otvara put za proizvodnju jeftinih, kompaktnih i stabilnih laserskih izvora koji su izuzetno važni u različitim scenarijima primjene, posebno u LIDAR sistemima koji se koriste u automobilima koji se sami voze.
Simon Angstenberger, šef istraživačkog tima na Institutu za fiziku IV na Univerzitetu u Stuttgartu, rekao je: „Koristeći tehnologiju 3D štampanja, kreirali smo visokokvalitetnu mikrooptiku direktno na staklenim vlaknima unutar lasera, značajno smanjujući njegovu veličinu . Ovo je prvi put da je takva 3D štampana optika korištena u stvarnom laseru, u potpunosti demonstrirajući njihov visoki prag tolerancije oštećenja i stabilnost."
U časopisu Optics Letters, tim detaljno opisuje kako su 3D štampali mikrooptiku direktno na optičko vlakno, čime su čvrsto kombinovali vlakno sa laserskim kristalom u jednom laserskom oscilatoru. Hibridni laser je bio u stanju da radi stabilno na 1063,4 nm sa izlaznom snagom većom od 20 mW i maksimalnom izlaznom snagom od 37 mW.
Novi laser kombinuje prednosti kompaktnosti, robusnosti i niske cene lasera sa vlaknima sa prednostima lasera u čvrstom stanju na bazi kristala, koji imaju širok spektar karakteristika performansi kao što su različite snage i boje. Dizajn lasera sa spregnutim vlaknima pomoću 3D štampanog sočiva prikazan je na slici 1.
Simon Angstenberger napominje: "Do sada se 3D štampana optika koristila uglavnom u scenarijima male snage, kao što je endoskopija. Međutim, mi demonstriramo potencijal ovih tehnologija za aplikacije velike snage, kao što su fotolitografija i lasersko označavanje. da ova 3D mikrooptika štampana direktno na optičkim vlaknima može koncentrirati velike količine svjetlosti u jednu tačku, što je od velike vrijednosti u primjenama u medicini, kao što je precizno uništavanje stanica raka."
Izrada mikroskopskih sočiva direktno na optičkim vlaknima
Institut za fiziku IV Univerziteta u Štutgartu ima veliko istraživačko iskustvo u oblasti 3D štampane mikrooptike, sa posebnom stručnošću u štampanju direktno na optička vlakna. Koriste metodu 3D štampe koja se naziva "dvofotonska polimerizacija", u kojoj se infracrveni laser fokusira u fotorezist osjetljiv na UV zrake.
U fokusnoj oblasti lasera, dva infracrvena fotona se apsorbuju istovremeno, što povećava otpornost na UV zračenje. Pomicanjem žarišne točke, moguće je kreirati više oblika s velikom preciznošću. Ova tehnologija ne samo da omogućava proizvodnju minijaturne optike već i nove funkcije kao što je stvaranje optičkih elemenata slobodnog oblika ili složenih sistema sočiva.
Ove 3D štampane komponente su napravljene od polimera i nismo bili sigurni da li će moći da izdrže velike količine toplote i optičke snage koje se stvaraju u laserskoj šupljini", kaže Simon Angstenberger. Međutim, kasnije se pokazalo da nije uočena nikakva oštećenja. na sočivima čak i nakon dugotrajnog rada lasera od nekoliko sati, što dokazuje njihovu izuzetno visoku stabilnost."
U ovoj najnovijoj studiji, istraživači su koristili 3D štampač proizvođača Nanoscribe za proizvodnju sočiva prečnika 0.25 mm i visine od 80 μm na kraju optičkih vlakana istog prečnika pomoću dva fotonska polimerizacija (slika 2). Proces uključuje projektovanje optike, umetanje vlakna u 3D štampač, a zatim precizno štampanje mikrostrukture na kraju vlakna, što zahteva visok stepen tačnosti u poravnanju štampanih vlakana i u samom štampanju.
Kreiranje hibridnog lasera
Nakon što je 3D štampanje završeno, tim je pristupio sastavljanju lasera i laserske šupljine. Za razliku od tradicionalnih laserskih šupljina koje koriste glomazna i skupa ogledala, oni su koristili vlakna za formiranje dijela šupljine, stvarajući jedinstveni hibridni laser od vlakana i kristala. U ovom dizajnu, minijaturna sočiva odštampana na kraju vlakna koriste se za fokusiranje i prikupljanje ili spajanje svjetlosti koju emituje i prima laserski kristal. Kako bi poboljšali stabilnost sistema i smanjili efekte turbulencije zraka, istraživači su pričvrstili vlakno na držač. Posebno, kristal i štampana leća imaju veoma kompaktnu veličinu od 5 × 5 cm².
Kontinuiranim snimanjem izlazne snage lasera tokom nekoliko sati, istraživači su potvrdili da nije došlo do pogoršanja performansi 3D štampane optike u sistemu i da to nije uticalo na dugoročnu operativnu efikasnost lasera. Osim toga, promatranje optike u laserskoj šupljini pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa nije otkrilo vidljiva oštećenja. Simon Angstenberger je napomenuo: "Otkrili smo da je štampana optika stabilnija u poređenju sa komercijalnom Braggovom rešetkom od vlakana koju smo koristili, što je na kraju ograničilo našu maksimalnu snagu."
Istraživački tim trenutno radi na optimizaciji efikasnosti 3D štampane optike. Planiraju koristiti veća optička vlakna s optimiziranim dizajnom sočiva slobodnog oblika i asferičnim dizajnom sočiva ili pokušati ispisati kombinacije sočiva direktno na vlakno kako bi povećali izlaznu snagu. Istovremeno, planiraju da u laserima koriste različite vrste kristala, što će omogućiti prilagođavanje i optimizaciju izlaznih karakteristika za specifične aplikacije.
