Pastaraisiais metais 3D spausdinimo technologija vis plačiau naudojama įvairiose pramonės šakose, ypač tiksliosios gamybos ir optikos srityse. Mokslininkų komanda iš Štutgarto universiteto Vokietijoje neseniai padarė aesminis proveržiskai jie pirmą kartą pademonstravo, kad miniatiūrinė optika, pagrįsta 3D atspausdintais polimerais, gali atlaikyti lazerio viduje generuojamą šilumą ir energiją. Šis atradimas atveria kelią nebrangių, kompaktiškų ir stabilių lazerinių šaltinių gamybai, kurie yra itin svarbūs įvairiuose pritaikymo scenarijuose, ypač LIDAR sistemose, naudojamose savaeigiuose automobiliuose.
Simonas Angstenbergeris, Štutgarto universiteto IV fizikos instituto tyrimų grupės vadovas, sakė: „Naudodami 3D spausdinimo technologiją sukūrėme aukštos kokybės mikrooptiką tiesiai ant stiklo pluošto lazerio viduje, žymiai sumažindami jo dydį. . Tai pirmas kartas, kai tokia 3D spausdinta optika buvo naudojama tikrame lazeryje, visiškai įrodant aukštą atsparumo pažeidimams slenkstį ir stabilumą.
Žurnale Optics Letters komanda išsamiai aprašo, kaip jie 3D spausdino mikrooptiką tiesiai ant optinio pluošto, taip tvirtai sujungdami skaidulą su lazerio kristalu viename lazeriniame osciliatoriuje. Hibridinis lazeris galėjo stabiliai veikti esant 1063,4 nm, o išėjimo galia buvo didesnė nei 20 mW, o maksimali išėjimo galia – 37 mW.
Naujasis lazeris sujungia kompaktiškumą, tvirtumą ir nebrangius skaidulinių lazerių pranašumus su kristalų pagrindu veikiančių kietojo kūno lazerių privalumais, kurie pasižymi įvairiomis veikimo charakteristikomis, pvz., skirtinga galia ir spalvomis. Skaidulinio lazerio, naudojant 3D atspausdintą objektyvą, konstrukcija parodyta 1 pav.
Simonas Angstenbergeris pažymi: "Iki šiol 3D spausdinta optika daugiausia buvo naudojama mažos galios scenarijuose, pvz., endoskopijoje. Tačiau mes parodome šių technologijų potencialą didelės galios programoms, pvz., fotolitografijai ir lazeriniam žymėjimui. Mes parodome kad ši 3D mikrooptika, atspausdinta tiesiai ant optinių skaidulų, gali sutelkti didelius šviesos kiekius į vieną tašką, o tai yra labai naudinga medicinoje, pavyzdžiui, tiksliai sunaikinant vėžines ląsteles.
Mikroskalinių lęšių gamyba tiesiai ant optinių skaidulų
Štutgarto universiteto IV fizikos institutas turi didelę mokslinių tyrimų patirtį 3D spausdintos mikrooptikos srityje, ypač spausdinant tiesiai ant optinių skaidulų. Jie naudoja 3D spausdinimo metodą, vadinamą „dviejų fotonų polimerizacija“, kai infraraudonųjų spindulių lazeris sufokusuojamas į UV jautrų fotorezistą.
Lazerio židinio srityje vienu metu absorbuojami du infraraudonieji fotonai, o tai padidina atsparumą UV spinduliams. Perkeliant židinio tašką galima labai tiksliai sukurti kelias formas. Ši technologija leidžia ne tik gaminti miniatiūrinę optiką, bet ir naujas funkcijas, tokias kaip laisvos formos optinių elementų ar sudėtingų lęšių sistemų kūrimas.
Šie 3D spausdinti komponentai yra pagaminti iš polimerų, todėl nebuvome tikri, ar jie atlaikys didelius šilumos ir optinės galios kiekius, generuojamus lazerio ertmėje“, – sako Simonas Angstenbergeris. Tačiau vėliau buvo nustatyta, kad jokių pažeidimų nepastebėta. ant lęšių net ir ilgą laiką paleidus lazerį kelias valandas, o tai įrodo itin aukštą jų stabilumą.
Šiame naujausiame tyrime mokslininkai naudojo Nanoscribe pagamintą 3D spausdintuvą, kad pagamintų 0,25 mm skersmens ir 80 μm aukščio lęšius tokio pat skersmens optinių skaidulų gale, naudojant dvi fotonų polimerizacija (2 pav.). Procesas apima optikos projektavimą, pluošto įterpimą į 3D spausdintuvą, o tada tiksliai atspausdinama mikrostruktūra pluošto gale, o tam reikalingas didelis spausdintų skaidulų išlygiavimo ir paties spausdinimo tikslumas.
Hibridinio lazerio kūrimas
Pasibaigus 3D spausdinimui, komanda ėmėsi lazerio ir lazerio ertmės surinkimo. Skirtingai nuo tradicinių lazerinių ertmių, kuriose naudojami dideli ir brangūs veidrodžiai, jie naudojo pluoštus, kad sudarytų dalį ertmės, sukurdami unikalų hibridinį pluošto-kristalinį lazerį. Šioje konstrukcijoje ant pluošto galo atspausdinti miniatiūriniai lęšiai naudojami fokusuoti ir surinkti arba sujungti lazerio kristalo skleidžiamą ir gaunamą šviesą. Norėdami pagerinti sistemos stabilumą ir sumažinti oro turbulencijos poveikį, mokslininkai pritvirtino pluoštą prie laikiklio. Pažymėtina, kad kristalas ir atspausdintas lęšis yra labai kompaktiško 5 × 5 cm² dydžio.
Keletą valandų nuolat registruodami lazerio galią, tyrėjai patikrino, ar sistemoje nepablogėjo 3D spausdintos optikos veikimas ir kad tai neturėjo įtakos ilgalaikiam lazerio veikimo efektyvumui. Be to, stebint optiką lazerio ertmėje naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą, matomų pažeidimų nepastebėta. Simonas Angstenbergeris pažymėjo: „Mes nustatėme, kad spausdinta optika buvo stabilesnė, palyginti su mūsų naudojama komercine šviesolaidine Bragg grotele, kuri galiausiai apribojo mūsų didžiausią galią.
Šiuo metu tyrimų grupė siekia optimizuoti 3D spausdintos optikos efektyvumą. Jie planuoja naudoti didesnius optinius pluoštus su optimizuotu laisvos formos objektyvo ir asferinio lęšio dizainu arba bandyti spausdinti objektyvų derinius tiesiai ant pluošto, kad padidintų išėjimo galią. Tuo pačiu metu jie planuoja lazeriuose naudoti įvairių rūšių kristalus, kurie leis pritaikyti ir optimizuoti išvesties charakteristikas konkrečioms programoms.
