V posledných rokoch sa technológia 3D tlače čoraz viac využíva v rôznych odvetviach, najmä v presnej výrobe a optike. Tím výskumníkov z univerzity v Stuttgarte v Nemecku nedávno urobil azásadný prelomkeď prvýkrát ukázali, že miniatúrna optika založená na 3D tlačených polyméroch je schopná odolať teplu a energii generovanej vo vnútri lasera. Tento objav otvára cestu pre výrobu lacných, kompaktných a stabilných laserových zdrojov, ktoré sú mimoriadne dôležité v rôznych aplikačných scenároch, najmä v systémoch LIDAR používaných v autách s vlastným pohonom.
Simon Angstenberger, vedúci výskumného tímu z Inštitútu fyziky IV na Univerzite v Stuttgarte, povedal: „Pomocou technológie 3D tlače sme vytvorili vysokokvalitnú mikrooptiku priamo na sklenených vláknach vo vnútri lasera, čím sme výrazne zmenšili jeho veľkosť. Toto je prvýkrát, čo bola takáto 3D tlačená optika použitá v skutočnom laseri, čo plne demonštruje ich vysoký prah tolerancie poškodenia a stabilitu.“
V časopise Optics Letters tím podrobne opisuje, ako 3D vytlačili mikrooptiku priamo na optické vlákno, čím tesne spojili vlákno s laserovým kryštálom v jedinom laserovom oscilátore. Hybridný laser bol schopný pracovať stabilne pri 1063,4 nm s výstupným výkonom viac ako 20 mW a maximálnym výstupným výkonom 37 mW.
Nový laser kombinuje kompaktnosť, robustnosť a nízke náklady vláknových laserov s výhodami kryštálových pevnolátkových laserov, ktoré majú širokú škálu výkonnostných charakteristík, ako sú rôzne výkony a farby. Konštrukcia vláknového lasera s použitím 3D tlačenej šošovky je znázornená na obr.
Simon Angstenberger poznamenáva: "Zatiaľ sa 3D tlačená optika používala hlavne v scenároch s nízkou spotrebou energie, ako je endoskopia. Demonštrujeme však potenciál týchto technológií pre aplikácie s vysokým výkonom, ako je fotolitografia a laserové značenie. Ukážeme že tieto 3D mikrooptiky vytlačené priamo na optických vláknach dokážu sústrediť veľké množstvo svetla do jedného bodu, čo má veľkú hodnotu v aplikáciách v medicíne, ako je presná deštrukcia rakovinových buniek.“
Výroba mikrošošoviek priamo na optických vláknach
Inštitút fyziky IV na Univerzite v Stuttgarte má rozsiahle výskumné skúsenosti v oblasti 3D tlačenej mikrooptiky s osobitnými odbornými znalosťami v oblasti tlače priamo na optické vlákna. Používajú metódu 3D tlače nazývanú „dvojfotónová polymerizácia“, pri ktorej je infračervený laser zaostrený do fotorezistu citlivého na UV žiarenie.
V ohniskovej oblasti lasera sú súčasne absorbované dva infračervené fotóny, čo zvyšuje odolnosť voči UV žiareniu. Posúvaním ohniska možno vytvárať viaceré tvary s vysokou presnosťou. Táto technológia umožňuje nielen výrobu miniatúrnej optiky, ale aj nové funkcie, ako je vytváranie voľných optických prvkov alebo komplexných systémov šošoviek.
Tieto 3D tlačené komponenty sú vyrobené z polymérov a neboli sme si istí, či budú schopné odolať veľkému množstvu tepla a optickej energie generovanej v dutine lasera," hovorí Simon Angstenberger. Neskôr sa však zistilo, že nebolo pozorované žiadne poškodenie. na šošovkách aj po dlhšom chode lasera počas niekoľkých hodín, čo dokazuje ich extrémne vysokú stabilitu.“
V tejto najnovšej štúdii výskumníci použili 3D tlačiareň vyrobenú spoločnosťou Nanoscribe na výrobu šošoviek s priemerom 0,25 mm a výškou 80 μm na konci optických vlákien rovnakého priemeru pomocou dvoch fotónová polymerizácia (obr. 2). Proces zahŕňa návrh optiky, vloženie vlákna do 3D tlačiarne a následnú precíznu tlač mikroštruktúry na konci vlákna, čo si vyžaduje vysoký stupeň presnosti pri zarovnávaní tlačených vlákien a pri samotnej tlači.
Vytvorenie hybridného lasera
Po dokončení 3D tlače sa tím pustil do montáže lasera a laserovej dutiny. Na rozdiel od tradičných laserových dutín, ktoré používajú objemné a drahé zrkadlá, použili vlákna na vytvorenie časti dutiny, čím vytvorili jedinečný hybridný laser s vláknom a kryštálom. V tomto dizajne sa miniatúrne šošovky vytlačené na konci vlákna používajú na zaostrenie a zber alebo spojenie svetla vyžarovaného a prijímaného laserovým kryštálom. Na zlepšenie stability systému a zníženie účinkov vzduchovej turbulencie vedci upevnili vlákno na držiak. Je pozoruhodné, že krištáľ a vytlačená šošovka majú veľmi kompaktnú veľkosť 5 × 5 cm².
Nepretržitým zaznamenávaním výkonu lasera počas niekoľkých hodín výskumníci overili, že nedošlo k žiadnemu zhoršeniu výkonu 3D tlačenej optiky v systéme a že to neovplyvnilo dlhodobú prevádzkovú účinnosť lasera. Okrem toho pozorovanie optiky v dutine lasera pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu neodhalilo žiadne viditeľné poškodenie. Simon Angstenberger poznamenal: "Zistili sme, že tlačená optika bola stabilnejšia v porovnaní s komerčnou vláknovou Braggovou mriežkou, ktorú sme použili, čo v konečnom dôsledku obmedzilo náš maximálny výkon."
Výskumný tím v súčasnosti pracuje na optimalizácii účinnosti 3D tlačenej optiky. Plánujú použiť väčšie optické vlákna s optimalizovaným dizajnom šošoviek s voľným tvarom a asférických šošoviek alebo sa pokúsia vytlačiť kombinácie šošoviek priamo na vlákno, aby sa zvýšil výstupný výkon. Zároveň plánujú použiť v laseroch rôzne druhy kryštálov, ktoré umožnia prispôsobenie a optimalizáciu výstupných charakteristík pre konkrétne aplikácie.
