Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi percetakan 3D telah semakin digunakan dalam pelbagai industri, terutamanya dalam pembuatan ketepatan dan optik. Sekumpulan penyelidik dari Universiti Stuttgart di Jerman baru-baru ini membuat akejayaan besarapabila mereka menunjukkan buat kali pertama bahawa optik mini berdasarkan polimer cetakan 3D mampu menahan haba dan kuasa yang dijana di dalam laser. Penemuan ini membuka jalan kepada fabrikasi sumber laser yang murah, padat dan stabil yang amat penting dalam pelbagai senario aplikasi, terutamanya dalam sistem LIDAR yang digunakan dalam kereta pandu sendiri.
Simon Angstenberger, ketua pasukan penyelidik di Institut Fizik IV di Universiti Stuttgart, berkata: "Menggunakan teknologi percetakan 3D, kami telah mencipta mikro-optik berkualiti tinggi secara langsung pada gentian kaca di dalam laser, dengan ketara mengurangkan saiznya. . Ini adalah kali pertama optik bercetak 3D sedemikian digunakan dalam laser sebenar, menunjukkan sepenuhnya ambang dan kestabilan toleransi kerosakan yang tinggi."
Dalam jurnal Optics Letters, pasukan itu menerangkan secara terperinci bagaimana mereka mencetak mikro-optik secara 3D secara langsung pada gentian optik, dengan itu menggabungkan gentian dengan hablur laser dengan ketat dalam satu pengayun laser. Laser hibrid mampu beroperasi secara stabil pada 1063.4 nm dengan kuasa keluaran lebih daripada 20 mW dan kuasa keluaran maksimum 37 mW.
Laser baharu menggabungkan kelebihan padat, kekukuhan dan kos rendah laser gentian dengan faedah laser keadaan pepejal berasaskan kristal, yang mempunyai pelbagai ciri prestasi seperti kuasa dan warna yang berbeza. Reka bentuk laser gandingan gentian menggunakan kanta cetakan 3D ditunjukkan dalam Rajah 1.
Simon Angstenberger menyatakan, "Setakat ini, optik bercetak 3D telah digunakan terutamanya dalam senario berkuasa rendah, seperti endoskopi. Walau bagaimanapun, kami menunjukkan potensi teknologi ini untuk aplikasi berkuasa tinggi, seperti untuk fotolitografi dan penandaan laser. Kami menunjukkan bahawa mikro-optik 3D yang dicetak terus pada gentian optik ini boleh menumpukan sejumlah besar cahaya ke satu titik, yang sangat bernilai dalam aplikasi dalam bidang perubatan, seperti pemusnahan tepat sel-sel kanser."
Membuat kanta skala mikro terus pada gentian optik
Institut Fizik IV di Universiti Stuttgart mempunyai pengalaman penyelidikan yang luas dalam bidang mikro-optik cetakan 3D, dengan kepakaran khusus dalam mencetak terus pada gentian optik. Mereka menggunakan kaedah pencetakan 3D yang dipanggil "pempolimeran dua foton", di mana laser inframerah difokuskan kepada fotoresist sensitif UV.
Di kawasan fokus laser, dua foton inframerah diserap pada masa yang sama, yang meningkatkan rintangan UV. Dengan menggerakkan titik fokus, pelbagai bentuk boleh dibuat dengan ketepatan tinggi. Teknologi ini bukan sahaja membolehkan fabrikasi optik kecil tetapi juga fungsi baharu seperti penciptaan elemen optik bentuk bebas atau sistem kanta kompleks.
Komponen cetakan 3D ini diperbuat daripada polimer, dan kami tidak pasti sama ada ia akan dapat menahan sejumlah besar haba dan kuasa optik yang dijana dalam rongga laser," kata Simon Angstenberger. Bagaimanapun, ia kemudiannya mendapati tiada kerosakan diperhatikan. pada kanta walaupun selepas menjalankan laser untuk jangka masa yang lama selama beberapa jam, yang membuktikan kestabilan mereka yang sangat tinggi."
Dalam kajian terbaru ini, penyelidik menggunakan pencetak 3D yang dikeluarkan oleh Nanoscribe untuk menghasilkan kanta dengan diameter 0.25 mm dan ketinggian 80 μm pada hujung gentian optik diameter yang sama dengan menggunakan dua- pempolimeran foton (Rajah 2). Proses ini melibatkan reka bentuk optik, memasukkan gentian ke dalam pencetak 3D, dan kemudian mencetak struktur mikro dengan tepat pada penghujung gentian, yang memerlukan tahap ketepatan yang tinggi dalam penjajaran gentian bercetak dan dalam percetakan itu sendiri.
Mencipta Laser Hibrid
Selepas pencetakan 3D selesai, pasukan mula memasang laser dan rongga laser. Tidak seperti rongga laser tradisional yang menggunakan cermin besar dan mahal, mereka menggunakan gentian untuk membentuk sebahagian daripada rongga, mencipta laser gentian-kristal hibrid yang unik. Dalam reka bentuk ini, kanta kecil yang dicetak pada hujung gentian digunakan untuk memfokus dan mengumpul atau menggabungkan cahaya yang dipancarkan dan diterima oleh kristal laser. Untuk meningkatkan kestabilan sistem dan mengurangkan kesan pergolakan udara, para penyelidik mengamankan gentian kepada pemegang. Terutamanya, kristal dan kanta bercetak mempunyai saiz yang sangat padat iaitu 5 × 5 cm².
Dengan merakam output kuasa laser secara berterusan selama beberapa jam, para penyelidik mengesahkan bahawa tiada kemerosotan dalam prestasi optik cetak 3D dalam sistem dan ia tidak menjejaskan keberkesanan operasi jangka panjang laser. Di samping itu, pemerhatian optik dalam rongga laser menggunakan mikroskop elektron pengimbasan mendedahkan tiada kerosakan yang boleh dilihat. Simon Angstenberger menyatakan, "Kami mendapati bahawa optik bercetak lebih stabil berbanding dengan kisi Bragg gentian komersial yang kami gunakan, yang akhirnya mengehadkan kuasa maksimum kami."
Pasukan penyelidik kini sedang berusaha untuk mengoptimumkan kecekapan optik bercetak 3D. Mereka merancang untuk menggunakan gentian optik yang lebih besar dengan kanta bentuk bebas yang dioptimumkan dan reka bentuk kanta asfera atau cuba mencetak kombinasi kanta terus pada gentian untuk meningkatkan kuasa output. Pada masa yang sama, mereka merancang untuk menggunakan pelbagai jenis kristal dalam laser, yang akan membolehkan penyesuaian dan pengoptimuman ciri keluaran untuk aplikasi tertentu.
