Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε μια ποικιλία βιομηχανιών, ειδικά στην κατασκευή ακριβείας και στην οπτική. Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης στη Γερμανία έκανε πρόσφατα ένασημαντική ανακάλυψηόταν απέδειξαν για πρώτη φορά ότι τα μικροσκοπικά οπτικά που βασίζονται σε 3D εκτυπωμένα πολυμερή είναι σε θέση να αντέξουν τη θερμότητα και την ισχύ που παράγεται μέσα σε ένα λέιζερ. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει το δρόμο για την κατασκευή φθηνών, συμπαγών και σταθερών πηγών λέιζερ που είναι εξαιρετικά σημαντικές σε ποικίλα σενάρια εφαρμογών, ειδικά σε συστήματα LIDAR που χρησιμοποιούνται σε αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα.
Ο Simon Angstenberger, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Ινστιτούτο Φυσικής IV στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης, δήλωσε: «Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης, δημιουργήσαμε υψηλής ποιότητας μικροοπτικά απευθείας στις γυάλινες ίνες μέσα στο λέιζερ, μειώνοντας σημαντικά το μέγεθός του. Αυτή είναι η πρώτη φορά που τέτοια τρισδιάστατα εκτυπωμένα οπτικά έχουν χρησιμοποιηθεί σε πραγματικό λέιζερ, αποδεικνύοντας πλήρως το υψηλό όριο ανοχής στη ζημιά και τη σταθερότητά τους."
Στο περιοδικό Optics Letters, η ομάδα περιγράφει λεπτομερώς πώς εκτύπωσε τρισδιάστατα τα μικροοπτικά απευθείας στην οπτική ίνα, συνδυάζοντας έτσι σφιχτά την ίνα με τον κρύσταλλο λέιζερ σε έναν μόνο ταλαντωτή λέιζερ. Το υβριδικό λέιζερ ήταν σε θέση να λειτουργεί σταθερά στα 1063,4 nm με ισχύ εξόδου μεγαλύτερη από 20 mW και μέγιστη ισχύ εξόδου 37 mW.
Το νέο λέιζερ συνδυάζει τη συμπαγή, στιβαρότητα και τα πλεονεκτήματα χαμηλού κόστους των λέιζερ ινών με τα πλεονεκτήματα των λέιζερ στερεάς κατάστασης με βάση κρυστάλλους, τα οποία έχουν ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών απόδοσης, όπως διαφορετικές δυνάμεις και χρώματα. Ο σχεδιασμός του λέιζερ συζευγμένου με ίνες με χρήση φακού 3D-εκτυπωμένου φαίνεται στο Σχ. 1.
Ο Simon Angstenberger σημειώνει, "Μέχρι στιγμής, τα τρισδιάστατα τυπωμένα οπτικά έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως σε σενάρια χαμηλής ισχύος, όπως η ενδοσκόπηση. Ωστόσο, αποδεικνύουμε τις δυνατότητες αυτών των τεχνολογιών για εφαρμογές υψηλής ισχύος, όπως για φωτολιθογραφία και σήμανση με λέιζερ. Δείχνουμε ότι αυτά τα τρισδιάστατα μικρο-οπτικά που εκτυπώνονται απευθείας σε οπτικές ίνες μπορούν να συγκεντρώνουν μεγάλες ποσότητες φωτός σε ένα μόνο σημείο, κάτι που έχει μεγάλη αξία σε εφαρμογές στην ιατρική, όπως η ακριβής καταστροφή καρκινικών κυττάρων».
Κατασκευή φακών μικροκλίμακας απευθείας σε οπτικές ίνες
Το Ινστιτούτο Φυσικής IV στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης διαθέτει εκτενή ερευνητική εμπειρία στον τομέα της τρισδιάστατης εκτύπωσης μικροοπτικής, με ιδιαίτερη εξειδίκευση στην απευθείας εκτύπωση σε οπτικές ίνες. Χρησιμοποιούν μια μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης που ονομάζεται «πολυμερισμός δύο φωτονίων», στην οποία ένα υπέρυθρο λέιζερ εστιάζεται σε ένα φωτοανθεκτικό που είναι ευαίσθητο στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Στην εστιακή περιοχή του λέιζερ, δύο υπέρυθρα φωτόνια απορροφώνται ταυτόχρονα, γεγονός που ενισχύει την αντίσταση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Μετακινώντας το εστιακό σημείο, μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλά σχήματα με υψηλή ακρίβεια. Αυτή η τεχνολογία όχι μόνο επιτρέπει την κατασκευή μικροσκοπικών οπτικών αλλά και νέες λειτουργίες, όπως η δημιουργία οπτικών στοιχείων ελεύθερης μορφής ή πολύπλοκων συστημάτων φακών.
Αυτά τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα εξαρτήματα είναι κατασκευασμένα από πολυμερή και δεν ήμασταν σίγουροι αν θα μπορούσαν να αντέξουν τις μεγάλες ποσότητες θερμότητας και οπτικής ισχύος που παράγονται στην κοιλότητα του λέιζερ", λέει ο Simon Angstenberger. Ωστόσο, αργότερα διαπιστώθηκε ότι δεν παρατηρήθηκε καμία ζημιά στους φακούς ακόμα και μετά από λειτουργία του λέιζερ για μεγάλο χρονικό διάστημα για αρκετές ώρες, γεγονός που αποδεικνύει την εξαιρετικά υψηλή σταθερότητά τους».
Σε αυτήν την τελευταία μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή που κατασκευάστηκε από τη Nanoscribe για να κατασκευάσουν φακούς με διάμετρο 0.25 mm και ύψος 80 μm στο άκρο οπτικών ινών της ίδιας διαμέτρου μέσω δύο πολυμερισμός φωτονίων (Εικ. 2). Η διαδικασία περιλαμβάνει το σχεδιασμό της οπτικής, την εισαγωγή της ίνας στον τρισδιάστατο εκτυπωτή και στη συνέχεια την ακριβή εκτύπωση της μικροδομής στο τέλος της ίνας, η οποία απαιτεί υψηλό βαθμό ακρίβειας στην ευθυγράμμιση των εκτυπωμένων ινών και στην ίδια την εκτύπωση.
Δημιουργία του υβριδικού λέιζερ
Μετά την ολοκλήρωση της τρισδιάστατης εκτύπωσης, η ομάδα ξεκίνησε τη συναρμολόγηση του λέιζερ και της κοιλότητας του λέιζερ. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές κοιλότητες λέιζερ που χρησιμοποιούν ογκώδεις και ακριβούς καθρέφτες, χρησιμοποίησαν ίνες για να αποτελέσουν μέρος της κοιλότητας, δημιουργώντας ένα μοναδικό υβριδικό λέιζερ ινών-κρυστάλλων. Σε αυτό το σχέδιο, μικροσκοπικοί φακοί τυπωμένοι στο άκρο της ίνας χρησιμοποιούνται για την εστίαση και τη συλλογή ή τη σύζευξη του φωτός που εκπέμπεται και λαμβάνεται από τον κρύσταλλο λέιζερ. Για να βελτιώσουν τη σταθερότητα του συστήματος και να μειώσουν τις επιπτώσεις των αναταράξεων του αέρα, οι ερευνητές στερέωσαν την ίνα σε μια βάση. Συγκεκριμένα, το κρύσταλλο και ο τυπωμένος φακός έχουν πολύ συμπαγές μέγεθος 5 × 5 cm².
Καταγράφοντας συνεχώς την ισχύ εξόδου του λέιζερ για αρκετές ώρες, οι ερευνητές επαλήθευσαν ότι δεν υπήρχε υποβάθμιση στην απόδοση των 3D-εκτυπωμένων οπτικών στο σύστημα και ότι δεν επηρέασε τη μακροπρόθεσμη λειτουργική αποτελεσματικότητα του λέιζερ. Επιπλέον, η παρατήρηση των οπτικών στην κοιλότητα του λέιζερ χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης δεν αποκάλυψε ορατή βλάβη. Ο Simon Angstenberger σημείωσε, «Διαπιστώσαμε ότι τα τυπωμένα οπτικά ήταν πιο σταθερά σε σύγκριση με το εμπορικό πλέγμα ινών Bragg που χρησιμοποιήσαμε, το οποίο τελικά περιόρισε τη μέγιστη ισχύ μας».
Η ερευνητική ομάδα εργάζεται επί του παρόντος για τη βελτιστοποίηση της αποτελεσματικότητας των 3D-εκτυπωμένων οπτικών. Σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν μεγαλύτερες οπτικές ίνες με βελτιστοποιημένα σχέδια φακών ελεύθερης μορφής και ασφαιρικών φακών ή να προσπαθήσουν να εκτυπώσουν συνδυασμούς φακών απευθείας στην ίνα για να ενισχύσουν την ισχύ εξόδου. Ταυτόχρονα, σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικά είδη κρυστάλλων στα λέιζερ, τα οποία θα επιτρέψουν την προσαρμογή και τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών εξόδου για συγκεκριμένες εφαρμογές.
