Az elmúlt években a 3D nyomtatási technológiát egyre szélesebb körben alkalmazzák számos iparágban, különösen a precíziós gyártásban és az optikában. A németországi Stuttgarti Egyetem kutatócsoportja a közelmúltban készített egyjelentős áttörésamikor először mutatták be, hogy a 3D-nyomtatott polimereken alapuló miniatűr optika képes ellenállni a lézer belsejében keletkező hőnek és energiának. Ez a felfedezés megnyitja az utat olcsó, kompakt és stabil lézerforrások előállításához, amelyek rendkívül fontosak számos alkalmazási forgatókönyvben, különösen az önvezető autókban használt LIDAR rendszerekben.
Simon Angstenberger, a Stuttgarti Egyetem IV. Fizikai Intézetének kutatócsoportjának vezetője elmondta: "A 3D nyomtatási technológia segítségével kiváló minőségű mikrooptikát hoztunk létre közvetlenül a lézer belsejében lévő üvegszálakon, jelentősen csökkentve annak méretét. Ez az első alkalom, hogy ilyen 3D-nyomtatott optikát tényleges lézerben használnak, teljes mértékben bizonyítva magas sérüléstűrési küszöbüket és stabilitásukat."
Az Optics Letters folyóiratban a csapat részletesen leírja, hogyan nyomtatták 3D-ben a mikrooptikát közvetlenül az optikai szálra, így szorosan egyesítve a szálat a lézerkristállyal egyetlen lézeroszcillátorban. A hibrid lézer stabilan tudott működni 1063,4 nm-en 20 mW-ot meghaladó kimeneti teljesítménnyel és 37 mW maximális kimeneti teljesítménnyel.
Az új lézer egyesíti a szálas lézerek kompaktságát, robusztusságát és alacsony költségű előnyeit a kristályalapú szilárdtestlézerek előnyeivel, amelyek teljesítményjellemzői széles skálával rendelkeznek, például különböző teljesítmények és színek. A szálcsatolt lézer 3D-nyomtatott lencsét alkalmazó kialakítását az 1. ábra mutatja.
Simon Angstenberger megjegyzi: "Eddig a 3D nyomtatott optikát főként alacsony fogyasztású forgatókönyvekben, például endoszkópiában használták. Azonban bemutatjuk ezekben a technológiákban rejlő lehetőségeket nagy teljesítményű alkalmazásokban, például fotolitográfiában és lézeres jelölésben. Megmutatjuk hogy ezek a közvetlenül optikai szálakra nyomtatott 3D mikrooptikák nagy mennyiségű fényt képesek egyetlen pontra koncentrálni, ami nagy értékű az orvostudományban, például a rákos sejtek pontos elpusztításában."
Mikroméretű lencsék készítése közvetlenül optikai szálakon
A Stuttgarti Egyetem Fizikai IV. intézete kiterjedt kutatási tapasztalattal rendelkezik a 3D-nyomtatott mikrooptika területén, különös szakértelemmel az optikai szálakra történő közvetlen nyomtatás terén. 3D nyomtatási módszert alkalmaznak, az úgynevezett "két foton polimerizációt", amelyben az infravörös lézert UV-érzékeny fotorezisztbe fókuszálják.
A lézer fókuszterületén egyszerre két infravörös foton nyelődik el, ami fokozza az UV ellenállást. A fókuszpont mozgatásával több alakzat is nagy pontossággal hozható létre. Ez a technológia nemcsak miniatűr optika gyártását teszi lehetővé, hanem új funkciókat is, például szabad formájú optikai elemek vagy összetett lencserendszerek létrehozását.
Ezek a 3D nyomtatott alkatrészek polimerekből készülnek, és nem voltunk biztosak abban, hogy képesek lesznek-e ellenállni a lézerüregben keletkező nagy mennyiségű hőnek és optikai teljesítménynek" – mondja Simon Angstenberger. Később azonban kiderült, hogy nem észleltek károsodást a lencséken még a lézer hosszú, több órás futtatása után is, ami bizonyítja rendkívül magas stabilitásukat."
Ebben a legutóbbi tanulmányban a kutatók a Nanoscribe által gyártott 3D nyomtatóval 0,25 mm átmérőjű és 80 μm magasságú lencséket készítettek azonos átmérőjű optikai szálak végén két- fotonpolimerizáció (2. ábra). A folyamat során megtervezik az optikát, behelyezik a szálat a 3D nyomtatóba, majd pontosan kinyomtatják a mikroszerkezetet a szál végén, ami nagyfokú pontosságot igényel a nyomtatott szálak igazításában és magában a nyomtatásban is.
Hibrid lézer létrehozása
A 3D nyomtatás befejezése után a csapat hozzálátott a lézer és a lézerüreg összeszereléséhez. Ellentétben a hagyományos lézerüregekkel, amelyek terjedelmes és drága tükröket használnak, szálakat használtak az üreg egy részének kialakítására, így egyedülálló hibrid szál-kristály lézert hoztak létre. Ebben a kialakításban a szál végére nyomtatott miniatűr lencséket használnak a fókuszálásra és a lézerkristály által kibocsátott és fogadott fény összegyűjtésére vagy összekapcsolására. A rendszer stabilitásának javítása és a légturbulencia hatásainak csökkentése érdekében a kutatók a szálat egy tartóhoz rögzítették. Figyelemre méltó, hogy a kristály és a nyomtatott lencse nagyon kompakt, 5 × 5 cm² méretű.
A lézer teljesítményének több órán át tartó folyamatos rögzítésével a kutatók megbizonyosodtak arról, hogy a 3D-nyomtatott optika teljesítménye nem romlott a rendszerben, és ez nem befolyásolja a lézer hosszú távú működési hatékonyságát. Ezenkívül a lézerüreg optikájának pásztázó elektronmikroszkóppal történő megfigyelése nem mutatott ki látható sérülést. Simon Angstenberger megjegyezte: "Azt találtuk, hogy a nyomtatott optika stabilabb az általunk használt kereskedelmi szálas Bragg-rácshoz képest, ami végső soron korlátozta maximális teljesítményünket."
A kutatócsoport jelenleg a 3D-nyomtatott optika hatékonyságának optimalizálásán dolgozik. Azt tervezik, hogy nagyobb optikai szálakat használnak optimalizált szabad formájú lencsékkel és aszférikus lencsékkel, vagy megpróbálnak közvetlenül a szálra lencsekombinációkat nyomtatni a kimeneti teljesítmény növelése érdekében. Ugyanakkor azt tervezik, hogy a lézerekben különböző típusú kristályokat alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik a kimeneti jellemzők testreszabását és optimalizálását az egyes alkalmazásokhoz.
