Posljednjih se godina tehnologija 3D ispisa sve više koristi u raznim industrijama, posebice u preciznoj proizvodnji i optici. Tim istraživača sa Sveučilišta u Stuttgartu u Njemačkoj nedavno je napravioveliki napredakkada su po prvi put pokazali da minijaturna optika temeljena na 3D ispisanim polimerima može izdržati toplinu i snagu koja se stvara unutar lasera. Ovo otkriće utire put za izradu jeftinih, kompaktnih i stabilnih laserskih izvora koji su izuzetno važni u različitim scenarijima primjene, posebno u LIDAR sustavima koji se koriste u samovozećim automobilima.
Simon Angstenberger, voditelj istraživačkog tima na Institutu za fiziku IV Sveučilišta u Stuttgartu, rekao je: "Koristeći tehnologiju 3D ispisa, stvorili smo visokokvalitetnu mikrooptiku izravno na staklenim vlaknima unutar lasera, značajno smanjujući njegovu veličinu . Ovo je prvi put da je takva 3D ispisana optika upotrijebljena u stvarnom laseru, čime se u potpunosti demonstrira njihov visoki prag tolerancije oštećenja i stabilnost."
U časopisu Optics Letters, tim detaljno opisuje kako su 3D ispisali mikrooptiku izravno na optičko vlakno, čime su čvrsto spojili vlakno s laserskim kristalom u jedan laserski oscilator. Hibridni laser uspio je raditi stabilno na 1063,4 nm s izlaznom snagom većom od 20 mW i maksimalnom izlaznom snagom od 37 mW.
Novi laser kombinira kompaktnost, robusnost i nisku cijenu prednosti fiber lasera s prednostima kristalno baziranih krutih lasera, koji imaju širok raspon radnih karakteristika kao što su različite snage i boje. Dizajn vlaknasto spojenog lasera koji koristi 3D tiskanu leću prikazan je na slici 1.
Simon Angstenberger napominje: "Do sada se 3D tiskana 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. Pokazujemo da ova 3D mikrooptika ispisana izravno na optička vlakna može koncentrirati velike količine svjetla u jednu točku, što je od velike vrijednosti u primjenama u medicini, kao što je precizno uništavanje stanica raka."
Izrada mikroskalnih leća izravno na optičkim vlaknima
Institut za fiziku IV na Sveučilištu u Stuttgartu ima veliko istraživačko iskustvo u području 3D tiskane mikrooptike, s posebnom stručnošću u izravnom ispisu na optička vlakna. Oni koriste metodu 3D ispisa nazvanu "polimerizacija s dva fotona", u kojoj se infracrveni laser fokusira u UV-osjetljiv fotorezist.
U žarišnom području lasera, dva infracrvena fotona se apsorbiraju u isto vrijeme, što povećava UV otpornost. Pomicanjem žarišne točke mogu se stvoriti višestruki oblici s velikom preciznošću. Ova tehnologija ne samo da omogućuje izradu minijaturne optike već i nove funkcije kao što je stvaranje optičkih elemenata slobodnog oblika ili složenih sustava leća.
Ove 3D tiskane komponente izrađene su od polimera i nismo bili sigurni hoće li moći izdržati velike količine topline i optičke snage koja se stvara u laserskoj šupljini", kaže Simon Angstenberger. Međutim, kasnije je otkriveno da nije uočeno nikakvo oštećenje na lećama čak i nakon dugotrajnog rada lasera od nekoliko sati, što dokazuje njihovu izuzetno visoku stabilnost."
U ovoj najnovijoj studiji istraživači su koristili 3D printer koji je proizveo Nanoscribe za izradu leća promjera 0,25 mm i visine 80 μm na kraju optičkih vlakana istog promjera pomoću dva- fotonska polimerizacija (slika 2). Proces uključuje projektiranje optike, umetanje vlakna u 3D printer, a potom i precizan ispis mikrostrukture na kraju vlakna, što zahtijeva visok stupanj točnosti u poravnanju isprintanih vlakana i u samom ispisu.
Stvaranje hibridnog lasera
Nakon što je 3D ispis završen, tim je krenuo sa sastavljanjem lasera i laserske šupljine. Za razliku od tradicionalnih laserskih šupljina koje koriste glomazna i skupa zrcala, koristili su vlakna da formiraju dio šupljine, stvarajući jedinstveni hibridni laser s vlaknima i kristalima. U ovom dizajnu, minijaturne leće otisnute na kraju vlakna koriste se za fokusiranje i prikupljanje ili spajanje svjetlosti koju emitira i prima laserski kristal. Kako bi poboljšali stabilnost sustava i smanjili učinke turbulencije zraka, istraživači su učvrstili vlakno na držač. Naime, kristal i tiskana leća imaju vrlo kompaktnu veličinu od 5 × 5 cm².
Kontinuiranim snimanjem izlazne snage lasera tijekom nekoliko sati, istraživači su potvrdili da nije bilo degradacije u performansama 3D ispisane optike u sustavu i da to nije utjecalo na dugoročnu radnu učinkovitost lasera. Osim toga, promatranje optike u laserskoj šupljini pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa nije otkrilo nikakva vidljiva oštećenja. Simon Angstenberger je primijetio: "Otkrili smo da je tiskana optika stabilnija u usporedbi s komercijalnom vlaknastom Bragg rešetkom koju smo koristili, što je u konačnici ograničilo našu maksimalnu snagu."
Istraživački tim trenutno radi na optimizaciji učinkovitosti 3D ispisane optike. Planiraju koristiti veća optička vlakna s optimiziranim dizajnom leća slobodnog oblika i asferičnim lećama ili pokušati ispisati kombinacije leća izravno na vlakno kako bi povećali izlaznu snagu. Istodobno, planiraju koristiti različite vrste kristala u laserima, što će omogućiti prilagodbu i optimizaciju izlaznih karakteristika za specifične primjene.
