Viimastel aastatel on 3D-printimise tehnoloogiat üha enam kasutatud erinevates tööstusharudes, eriti täppistootmises ja optikas. Saksamaa Stuttgarti ülikooli teadlaste meeskond tegi hiljuti asuur läbimurrekui nad esimest korda demonstreerisid, et 3D-prinditud polümeeridel põhinev miniatuurne optika on võimeline taluma laseri sees tekkivat soojust ja võimsust. See avastus sillutab teed odavate, kompaktsete ja stabiilsete laserallikate valmistamisele, mis on äärmiselt olulised mitmesugustes rakendusstsenaariumides, eriti isejuhtivates autodes kasutatavates LIDAR-süsteemides.
Stuttgarti ülikooli IV füüsikainstituudi uurimisrühma juht Simon Angstenberger ütles: "Kasutades 3D-printimise tehnoloogiat, oleme loonud kvaliteetse mikrooptika otse laseri sees olevatele klaaskiududele, vähendades oluliselt selle suurust. . See on esimene kord, kui sellist 3D-prinditud optikat on tegelikus laseris kasutatud, mis näitab täielikult nende kõrget kahjustustaluvusläve ja stabiilsust.
Ajakirjas Optics Letters kirjeldab töörühm üksikasjalikult, kuidas nad 3D-printisid mikrooptika otse optilisele kiule, ühendades seega kiu tihedalt laserkristalliga ühes laserostsillaatoris. Hübriidlaser suutis stabiilselt töötada lainepikkusel 1063,4 nm väljundvõimsusega üle 20 mW ja maksimaalse väljundvõimsusega 37 mW.
Uus laser ühendab kiudlaserite kompaktsuse, vastupidavuse ja odava hinna eelistega kristallipõhiste tahkislaserite eelistega, millel on lai valik jõudlusnäitajaid, nagu erinevad võimsused ja värvid. 3D-prinditud objektiivi kasutava fiibersidestatud laseri konstruktsioon on näidatud joonisel 1.
Simon Angstenberger märgib: "Siiani on 3D-prinditud optikat kasutatud peamiselt väikese energiatarbega stsenaariumides, näiteks endoskoopias. Siiski demonstreerime nende tehnoloogiate potentsiaali suure võimsusega rakendustes, nagu fotolitograafia ja lasermärgistamine. Näitame et need 3D-mikrooptika, mis on trükitud otse optilistele kiududele, suudavad koondada suures koguses valgust ühte punkti, mis on meditsiinirakendustes, näiteks vähirakkude täpsel hävitamisel, väga väärtuslik."
Mikroskaala läätsede valmistamine otse optiliste kiudude peale
Stuttgarti Ülikooli IV Füüsika Instituudil on laialdased uurimiskogemused 3D-prinditud mikrooptika alal, eriteadmised otse optilistele kiududele printimisel. Nad kasutavad 3D-printimise meetodit, mida nimetatakse "kahe fotoni polümerisatsiooniks", mille käigus infrapunalaser fokusseeritakse UV-tundlikuks fotoresistiks.
Laseri fookuspiirkonnas neeldub korraga kaks infrapuna footoni, mis suurendab UV-vastupidavust. Fookuspunkti liigutades saab suure täpsusega luua mitu kujundit. See tehnoloogia ei võimalda mitte ainult toota miniatuurset optikat, vaid ka uusi funktsioone, nagu vabakujuliste optiliste elementide või keerukate läätsesüsteemide loomine.
Need 3D-prinditud komponendid on valmistatud polümeeridest ja me polnud kindlad, kas need suudavad taluda laserõõnes tekkivat suurt soojushulka ja optilist võimsust," räägib Simon Angstenberger. Hiljem aga selgus, et kahjustusi ei täheldatud. läätsedel isegi pärast laseriga pikka aega mitu tundi töötamist, mis tõestab nende ülikõrget stabiilsust."
Selles viimases uuringus kasutasid teadlased Nanoscribe’i toodetud 3D-printerit, et valmistada sama läbimõõduga optiliste kiudude otsas olevaid läätsi, mille läbimõõt on 0,25 mm ja kõrgus 80 μm, kasutades selleks kahte footonite polümerisatsioon (joon. 2). Protsess hõlmab optika projekteerimist, kiu sisestamist 3D-printerisse ja seejärel mikrostruktuuri täpset printimist kiu otsa, mis nõuab prinditavate kiudude joondamise ja printimise enda suurt täpsust.
Hübriidlaseri loomine
Pärast 3D-printimise lõpetamist asus meeskond laserit ja laserõõnsust kokku panema. Erinevalt traditsioonilistest laserõõnsustest, mis kasutavad mahukaid ja kalleid peegleid, kasutasid nad õõnsuse osa moodustamiseks kiude, luues ainulaadse hübriidkiud-kristalllaseri. Selles disainis kasutatakse laserkristalli kiirgava ja vastuvõetud valguse fokuseerimiseks ja kogumiseks või ühendamiseks kiu otsa trükitud miniatuurseid läätsi. Süsteemi stabiilsuse parandamiseks ja õhuturbulentsi mõju vähendamiseks kinnitasid teadlased kiu hoidiku külge. Nimelt on kristallil ja prinditud läätsel väga kompaktsed mõõtmed 5 × 5 cm².
Pidevalt mitu tundi laseri väljundvõimsust salvestades kontrollisid teadlased, et süsteemi 3D-prinditud optika jõudlus ei halvenenud ja et see ei mõjutanud laseri pikaajalist töötõhusust. Lisaks ei tuvastanud laserõõnsuse optika jälgimine skaneeriva elektronmikroskoobiga nähtavaid kahjustusi. Simon Angstenberger märkis: "Leidsime, et prinditud optika oli stabiilsem võrreldes meie kasutatud kaubandusliku fiiberiga Braggi restiga, mis lõpuks piiras meie maksimaalset võimsust."
Uurimisrühm töötab praegu selle nimel, et optimeerida 3D-prinditud optika efektiivsust. Nad kavatsevad kasutada suuremaid optilisi kiude optimeeritud vabakujuliste läätsede ja asfääriliste läätsede kujundusega või proovida väljundvõimsuse suurendamiseks printida objektiivide kombinatsioone otse kiule. Samal ajal kavatsevad nad laserites kasutada erinevat tüüpi kristalle, mis võimaldavad kohandada ja optimeerida väljundomadusi konkreetsete rakenduste jaoks.
