Voor het eerst hebben onderzoekers aangetoond dat 3D-geprinte micro-optica op basis van polymeren bestand zijn tegen de hitte- en krachtniveaus die in een laser optreden. De vooruitgang maakt goedkope, compacte en stabiele laserbronnen mogelijk die nuttig zouden zijn in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de lidar-systemen die worden gebruikt voor autonome voertuigen.

"We hebben de grootte van een laser aanzienlijk verkleind door 3D-printen te gebruiken om hoogwaardige micro-optica rechtstreeks op glasvezels te vervaardigen die in lasers worden gebruikt", zegt onderzoeksteamleider Simon Angstenberger van het 4e Natuurkundig Instituut van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland. "Dit is de eerste implementatie van dergelijke 3D-geprinte optica in een echte laser, wat hun hoge schadedrempel en stabiliteit benadrukt."

In het tijdschrift Optics Letters beschrijven de onderzoekers hoe ze optica op microschaal rechtstreeks op optische vezels in 3D hebben geprint om vezels en laserkristallen op een compacte manier in een enkele laseroscillator te combineren. De resulterende hybride laser vertoonde een stabiele werking bij een uitgangsvermogen van meer dan 20 mW bij 1063,4 nm en had een maximaal uitgangsvermogen van 37 mW.

De nieuwe laser combineert de compactheid, robuustheid en lage kosten van op vezels gebaseerde lasers met de voordelen van op kristallen gebaseerde vastestoflasers, die een breed scala aan eigenschappen kunnen hebben, zoals verschillende vermogens en kleuren.

"Tot nu toe werden 3D-geprinte optica voornamelijk gebruikt voor toepassingen met laag vermogen, zoals endoscopie", zegt Angstenberger. "De mogelijkheid om ze te gebruiken met toepassingen met hoog vermogen zou bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn voor lithografie en lasermarkering. We hebben aangetoond dat deze 3D-micro-optica die op vezels zijn geprint, kunnen worden gebruikt om grote hoeveelheden licht op één enkel punt te focusseren. zou nuttig kunnen zijn voor medische toepassingen zoals het nauwkeurig vernietigen van kankerweefsel."

De hitte opvangen

Het 4e Natuurkundig Instituut van de Universiteit van Stuttgart heeft een lange geschiedenis in het ontwikkelen van 3D-geprinte micro-optica, vooral de mogelijkheid om deze rechtstreeks op vezels te printen. Ze gebruiken een 3D-printmethode die bekend staat als twee-fotonenpolymerisatie, waarbij een infraroodlaser wordt gefocust op een UV-gevoelige fotoresist.

In het brandpuntsgebied van de laser worden tegelijkertijd twee infraroodfotonen geabsorbeerd, waardoor de UV-bestendigheid toeneemt. Door de focus te verplaatsen, kunnen verschillende vormen met hoge precisie worden gemaakt. Deze methode kan worden gebruikt om geminiaturiseerde optica te creëren en maakt ook nieuwe functionaliteiten mogelijk, zoals het creëren van optica in vrije vorm of complexe lenssystemen.

"Omdat deze 3D-geprinte elementen zijn gemaakt van polymeren, was het onduidelijk of ze bestand waren tegen de aanzienlijke hoeveelheid warmtebelasting en optisch vermogen die optreedt in een laserholte", zegt Angstenberger. "We ontdekten dat ze verrassend stabiel zijn en we konden geen enkele schade aan de lenzen waarnemen, zelfs niet nadat de laser enkele uren had gedraaid."

Voor het nieuwe onderzoek gebruikten de onderzoekers een 3D-printer van Nanoscribe om lenzen met een diameter van 0,25 mm en een hoogte van 80 micron op het uiteinde van een vezel met dezelfde diameter te fabriceren met behulp van twee-fotonenpolymerisatie.

Dit omvatte het ontwerpen van een optisch element met commerciële software, het plaatsen van de vezel in de 3D-printer en het printen van de kleine structuur op het uiteinde van de vezel. Dit proces moet uiterst nauwkeurig zijn wat betreft het uitlijnen van de bedrukking op de vezel en de nauwkeurigheid van de bedrukking zelf.

Een hybride laser maken

Nadat het printen voltooid was, assembleerden de onderzoekers de laser en de laserholte. In plaats van een kristal te gebruiken in een laserholte gemaakt van omvangrijke en kostbare spiegels, gebruikten ze vezels om deel uit te maken van de holte, waardoor een hybride vezel-kristallaser ontstond. De lenzen die aan het uiteinde van de vezels zijn gedrukt, concentreren en verzamelen (of koppelen) het licht in en uit het laserkristal.

Vervolgens lijmden ze de vezels in een houder om het lasersysteem stabieler en minder gevoelig voor luchtturbulentie te maken. Het kristal en de bedrukte lenzen waren slechts 5 x 5 cm groot ² .

Door het laservermogen gedurende meerdere uren continu te registreren, werd geverifieerd dat de geprinte optica in het systeem niet verslechterde of de langetermijneigenschappen van de laser beïnvloedde. Bovendien vertoonden scanning-elektronenmicroscopiebeelden van de optica na gebruik in de laserholte geen zichtbare schade. "Interessant genoeg ontdekten we dat de gedrukte optica stabieler was dan het commerciële Bragg-vezelrooster dat we gebruikten, wat uiteindelijk ons ​​maximale vermogen beperkte", aldus Angstenberger.

De onderzoekers werken nu aan het optimaliseren van de efficiëntie van de gedrukte optica. Grotere vezels met geoptimaliseerde freeform- en asferische lensontwerpen of een combinatie van lenzen die rechtstreeks op de vezel zijn gedrukt, kunnen het uitgangsvermogen helpen verbeteren. Ze willen ook verschillende kristallen in de laser demonstreren, waardoor de output kan worden aangepast voor specifieke toepassingen.

Meer informatie: Simon Angstenberger et al., Hybride vezel-vastestoflaser met 3D-geprinte intracavity-lenzen, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940

Journaalinformatie: Opticabrieven

Geleverd door Optica