3D打印用于開發(fā)緊湊型混合激光設(shè)計

2023年12月15日，南極熊獲悉，研究人員首次證明，3D打印的聚合物微光學(xué)器件可以承受激光器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和功率水平。這一進步使得廉價、緊湊、穩(wěn)定的激光源成為可能，未來可用于多種應(yīng)用，包括用于自動駕駛車輛的激光雷達系統(tǒng)。

△該示意圖顯示了使用3D打印透鏡進行光纖耦合的激光器設(shè)計。新型激光器結(jié)合了光纖和晶體固體激光器的優(yōu)點

德國斯圖加特大學(xué)第四物理研究所的研究小組負(fù)責(zé)人Simon Angstenberger表示：“我們通過在激光器內(nèi)部直接使用的玻璃纖維上，利用3D打印技術(shù)制造了高質(zhì)量的微光學(xué)器件，顯著減小了激光器的尺寸。這是首次在現(xiàn)實激光器中實現(xiàn)此類3D打印光學(xué)器件，凸顯了其高損傷閾值和穩(wěn)定性�！�

在期刊光學(xué)快報中，研究人員描述了他們?nèi)绾螌⑽⑿凸鈱W(xué)器件直接3D打印到光纖上，從而將光纖和激光晶體組合在一個緊湊的單個激光振蕩器。所得混合激光器在1063.4 nm處穩(wěn)定工作，輸出功率超過20 mW，最大輸出功率為37 mW。

新型激光器結(jié)合了光纖激光器的緊湊性、堅固性和低成本，以及晶體固態(tài)激光器的優(yōu)點，可以具有多種特性，例如不同的功率和顏色。

Angstenberger解釋道：“迄今為止，3D打印光學(xué)器件主要應(yīng)用于內(nèi)窺鏡等低功率場景。然而，將其應(yīng)用于高功率需求的光刻和激光打標(biāo)領(lǐng)域具有潛在價值。我們成功演示了在纖維上打印的3D微光學(xué)器件，能夠?qū)⒋罅抗饩劢沟揭粋�點，對于實現(xiàn)精確破壞癌組織等醫(yī)療應(yīng)用具有重要意義。”

△研究人員將微型透鏡直接打印到光纖上，使它們能夠?qū)⒐饫w和激光晶體緊湊地組合在單個激光振蕩器內(nèi)

如何巧妙帶走熱量

斯圖加特大學(xué)第四物理研究所在開發(fā)3D打印微光學(xué)器件方面擁有悠久的歷史，尤其是直接在纖維上打印它們的能力。他們使用一種稱為雙光子聚合的3D打印方法，將紅外激光聚焦到紫外線敏感的光刻膠中。

在激光的聚焦區(qū)域，兩個紅外光子將被同時吸收，從而增強了抗紫外線能力。移動焦點可以高精度地創(chuàng)建各種形狀。這種方法可用于創(chuàng)建微型光學(xué)器件，還可以實現(xiàn)新穎的功能，例如創(chuàng)建自由形狀光學(xué)器件或復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)。

△透鏡設(shè)計和焦點處的光束輪廓

Angstenberger解釋道：“由于這些3D打印元件由聚合物制成，目前尚不清楚它們是否能夠承受激光腔內(nèi)產(chǎn)生的大量熱負(fù)荷和光功率。但我們發(fā)現(xiàn)它們非常穩(wěn)定，即使在運行激光幾個小時后，也無法觀察到鏡片上有任何損壞�！�

在這項新研究中，研究人員使用Nanoscribe制造的3D打印機，通過雙光子聚合在相同直徑的光纖末端制造直徑0.25毫米、高度80微米的透鏡。

這涉及使用商業(yè)軟件設(shè)計光學(xué)元件，將光纖插入3D打印機，然后在末端打印小型結(jié)構(gòu)的纖維。這個過程在打印與纖維的對齊以及打印本身的準(zhǔn)確性方面必須非常精確。

△該研究已在光學(xué)快報上發(fā)表，題目為“具有3 打印腔內(nèi)透鏡的混合光纖固體激光器”（傳送門）

創(chuàng)建混合激光器

打印完成后，研究人員組裝了激光器和激光腔。他們沒有在笨重且昂貴的鏡子激光腔內(nèi)使用晶體，而是使用光纖構(gòu)成腔的一部分，從而創(chuàng)建了混合光纖晶體激光器。

通過在光纖末端打印透鏡，該團隊成功實現(xiàn)了對激光的聚焦和光的收集或耦合，使其能夠進入和離開激光晶體。為了增強激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減小器件尺寸，他們將光纖巧妙地粘合到支架上。這種高效的制備方法使得整個激光系統(tǒng)的尺寸僅為5 x 5CM²，其中水晶和打印的透鏡均呈小型化。

在連續(xù)幾個小時內(nèi)記錄激光功率后，該團隊驗證了3D打印光學(xué)器件不會影響激光器的長期性能。掃描電子顯微鏡圖像在激光腔中使用后的光學(xué)器件上沒有顯示任何可見的損壞。Angstenberger補充道：“有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)3D打印光學(xué)器件比我們使用的商用光纖布拉格光柵更穩(wěn)定。”

該團隊表示，他們正在致力于優(yōu)化3D打印光學(xué)器件的效率。計劃通過優(yōu)化自由曲面和非球面透鏡設(shè)計，結(jié)合較大光纖或直接在光纖上進行透鏡打印，以提高輸出功率。此外，他們還計劃展示激光器中不同類型的晶體，以實現(xiàn)對特定應(yīng)用的定制輸出。