För första gången har forskare visat att 3D-printad polymerbaserad mikrooptik kan motstå de värme- och effektnivåer som uppstår inuti en laser. Förskottet möjliggör billiga, kompakta och stabila laserkällor som skulle vara användbara i en mängd olika tillämpningar, inklusive lidar-systemen som används för autonoma fordon.
"Vi minskade avsevärt storleken på en laser genom att använda 3D-utskrift för att tillverka högkvalitativ mikrooptik direkt på glasfibrer som används inuti lasrar", säger forskargruppens ledare Simon Angstenberger från 4th Physics Institute vid universitetet i Stuttgart i Tyskland. "Detta är den första implementeringen av sådan 3D-printad optik i en verklig laser, vilket framhäver deras höga skadetröskel och stabilitet."
I tidskriften Optics Letters , beskriver forskarna hur de 3D-printade mikroskaloptik direkt på optiska fibrer för att kombinera fibrer och laserkristaller inuti en enda laseroscillator på ett kompakt sätt. Den resulterande hybridlasern uppvisade stabil drift vid uteffekter på över 20 mW vid 1063,4 nm och hade en maximal uteffekt på 37 mW.
Den nya lasern kombinerar kompaktheten, robustheten och den låga kostnaden hos fiberbaserade lasrar med fördelarna med kristallbaserade solid state-lasrar, som kan ha ett brett utbud av egenskaper såsom olika styrkor och färger.
"Hittills har 3D-printad optik främst använts för lågeffektapplikationer som endoskopi", säger Angstenberger. "Möjligheten att använda dem med högeffektapplikationer kan vara användbar för till exempel litografi och lasermärkning. Vi visade att dessa 3D-mikrooptik som trycks på fibrer kan användas för att fokusera stora mängder ljus ner till en enda punkt, vilket kan vara användbart för medicinska tillämpningar som att precis förstöra cancervävnad."
Det 4:e fysikinstitutet vid universitetet i Stuttgart har en lång historia av att utveckla 3D-printad mikrooptik, särskilt förmågan att skriva ut dem direkt på fibrer. De använder en 3D-utskriftsmetod som kallas tvåfotonpolymerisation, som fokuserar en infraröd laser till en UV-känslig fotoresist.
I laserns fokalområde kommer två infraröda fotoner att absorberas samtidigt, vilket hårdnar UV-motståndet. Genom att flytta fokus runt kan olika former skapas med hög precision. Denna metod kan användas för att skapa miniatyriserad optik och tillåter även nya funktioner som skapandet av friformsoptik eller komplexa linssystem.
"Eftersom dessa 3D-utskrivna element är gjorda av polymerer var det oklart om de kunde motstå den betydande mängden värmebelastning och optisk kraft som uppstår inuti en laserkavitet", säger Angstenberger. "Vi fann att de är förvånansvärt stabila och vi kunde inte observera någon form av skada på linserna även efter flera timmars körning av lasern."
För den nya studien använde forskarna en 3D-skrivare tillverkad av Nanoscribe för att tillverka linser med en diameter på 0,25 mm och en höjd av 80 mikron på änden av en fiber med samma diameter med tvåfotonpolymerisation.
Detta innebar att designa ett optiskt element med kommersiell programvara, sätta in fibern i 3D-skrivaren och sedan skriva ut den lilla strukturen på änden av fibern. Denna process måste vara extremt exakt när det gäller att anpassa utskriften till fibern och precisionen i själva utskriften.
Efter att utskriften var klar, monterade forskarna lasern och laserhåligheten. Istället för att använda en kristall inuti en laserkavitet gjord av skrymmande och kostsamma speglar, använde de fibrer för att utgöra en del av kaviteten och skapade en hybridfiberkristalllaser. Linserna som är tryckta i änden av fibrerna fokuserar och samlar – eller kopplar – ljuset in i och ut ur laserkristallen.
De limmade sedan fast fibrerna i ett fäste för att göra lasersystemet mer stabilt och mindre mottagligt för luftturbulens. Kristallen och de tryckta linserna mätte bara 5 X 5 cm 2 .
Kontinuerlig registrering av lasereffekten under flera timmar verifierade att den tryckta optiken inuti systemet inte försämrades eller påverkade laserns långsiktiga egenskaper. Dessutom visade scanningselektronmikroskopibilder av optiken efter användning i laserkaviteten inga synliga skador. "Intressant nog fann vi att den tryckta optiken var mer stabil än det kommersiella fiber Bragg-gittret vi använde, vilket slutade med att begränsa vår maximala effekt", säger Angstenberger.
Forskarna arbetar nu med att optimera effektiviteten i den tryckta optiken. Större fibrer med optimerad friform och asfärisk linsdesign eller en kombination av linser tryckta direkt på fibern kan hjälpa till att förbättra uteffekten. De skulle också vilja demonstrera olika kristaller i lasern, vilket skulle kunna göra det möjligt att anpassa utgången för specifika applikationer.
Mer information: Simon Angstenberger et al, Hybridfiber–solid-state laser med 3D-printade intrakavitetslinser, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940
Journalinformation: Optikbrev
Tillhandahålls av Optica
