新突破！斯圖加特大學(xué)開(kāi)發(fā)出用于緊湊型激光器的新型高功率 3D 打印微光學(xué)器件

導(dǎo)讀：微型 3D 打印技術(shù)已經(jīng)徹底改變了微光學(xué)應(yīng)用，涵蓋內(nèi)窺鏡、成像和量子技術(shù)等領(lǐng)域。在所有這些應(yīng)用中，小型化是關(guān)鍵，結(jié)合幾乎無(wú)限的設(shè)計(jì)空間相結(jié)合，微型 3D 打印正在開(kāi)辟新的應(yīng)用途徑。

2024年1月9日，南極熊獲悉，來(lái)自斯圖加特大學(xué)第四物理研究所的研究人員證明了 3D 打印聚合物微光學(xué)器件在嚴(yán)苛激光環(huán)境中的可行性。在這里，研究人員通過(guò)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)具有腔內(nèi)光纖 3D 打印光學(xué)器件的光纖激光系統(tǒng)，突破了小型化和耐用性的極限。

相關(guān)研究以題為 “具有 3D 打印腔內(nèi)透鏡的混合光纖固體激光器/Hybrid fiber–solid-state laser with 3D-printed intracavity lenses”的論文被發(fā)表在《光學(xué)雜志》期刊上，由Simon Angstenberger, Pavel Ruchka等人聯(lián)合撰寫(xiě)。

論文鏈接：https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-48-24-6549&id=544426

該研究概述了使用 3D 打印技術(shù)直接在光纖上制造微型光學(xué)元件，將光纖和激光晶體無(wú)縫集成到單個(gè)激光振蕩器中。在保持穩(wěn)定性的同時(shí)，所得的混合激光器在 1063.4 nm 處產(chǎn)生超過(guò) 20 mW 的一致輸出，達(dá)到 37 mW 的峰值。這款激光器的獨(dú)特之處在于它結(jié)合了光纖激光器的緊湊性、耐用性和成本效益以及晶體固態(tài)激光器的多功能特性（包括各種功率和顏色）。這項(xiàng)研究代表了在制造價(jià)格實(shí)惠、小型且可靠的激光器方面取得的重大進(jìn)步，特別有利于自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

斯圖加特大學(xué)第四物理研究所研究小組負(fù)責(zé)人 Simon Angstenberger 表示：“我們通過(guò)使用 3D 打印直接在激光器內(nèi)部使用的玻璃纖維上制造高質(zhì)量的微光學(xué)器件，顯著減小了激光器的尺寸。這是此類 3D 打印光學(xué)器件首次在現(xiàn)實(shí)世界的激光器中應(yīng)用，凸顯了它們的高損傷閾值和穩(wěn)定性�！�

△研究人員將微型透鏡直接打印到光纖上，使它們能夠?qū)⒐饫w和激光晶體緊湊地組合在單個(gè)激光振蕩器內(nèi)。照片由德國(guó)斯圖加特大學(xué)第四物理研究所 Moritz Floess 和Simon Angstenberger 拍攝

從笨重的激光器到采用 3D 打印光學(xué)器件的緊湊型動(dòng)力源

斯圖加特大學(xué)第四物理研究所一直積極參與推進(jìn) 3D 打印微光學(xué)技術(shù)，特別是直接打印到纖維上的應(yīng)用。利用雙光子聚合 3D 打印方法，研究人員實(shí)現(xiàn)了高精度小型化光學(xué)器件的創(chuàng)建，并引入了自由曲面光學(xué)器件和復(fù)雜透鏡系統(tǒng)等新穎功能。

在這項(xiàng)研究中，使用Nanoscribe 3D 打印機(jī)通過(guò)雙光子聚合將直徑為 0.25 毫米、高度為 80 微米的透鏡直接打印到尺寸匹配的光纖上。該程序包括使用商業(yè)軟件設(shè)計(jì)光學(xué)元件，將光纖插入 3D 打印機(jī)，并將復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印到光纖末端。打印與纖維的精確對(duì)準(zhǔn)以及確保打印過(guò)程的準(zhǔn)確性是這一細(xì)致過(guò)程的關(guān)鍵方面。

打印后，研究人員組裝了激光器及其腔體，選擇使用光纖而不是傳統(tǒng)的鏡面。這種方法產(chǎn)生了混合光纖晶體激光器，打印透鏡將光線聚焦并收集進(jìn)出激光晶體。然后將光纖固定在支架上，以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低對(duì)空氣湍流的敏感性，從而形成緊湊的 5 x 5 cm 2激光系統(tǒng)。

在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，對(duì)激光功率進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，確認(rèn)打印光學(xué)器件沒(méi)有出現(xiàn)退化，并且不會(huì)對(duì)激光器的長(zhǎng)期性能產(chǎn)生不利影響。在激光腔中使用后的光學(xué)器件的掃描電子顯微鏡圖像顯示沒(méi)有可見(jiàn)的損壞。研究人員目前專注于優(yōu)化打印光學(xué)器件的效率，探索更大的光纖和不同的透鏡設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)輸出功率和針對(duì)特定應(yīng)用的定制選項(xiàng)。

Angstenberger 說(shuō)：“到目前為止，3D 打印光學(xué)器件主要用于內(nèi)窺鏡等低功率應(yīng)用。例如，將它們用于高功率應(yīng)用的能力對(duì)于光刻和激光打標(biāo)可能很有用。我們證明，這些打印在纖維上的 3D 微光學(xué)器件可用于將大量光聚焦到一個(gè)點(diǎn)，這對(duì)于精確破壞癌組織等醫(yī)療應(yīng)用可能很有用�！�

△該示意圖顯示了使用 3D 打印透鏡進(jìn)行光纖耦合的激光器設(shè)計(jì)。 新型激光器結(jié)合了光纖和晶體固體激光器的優(yōu)點(diǎn)。 照片來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)第四物理研究所 Simon Angstenberger

激光技術(shù)的進(jìn)步

Fraunhofer IAPT的 L-PBF負(fù)責(zé)人Philipp Kohlwes 分享了對(duì)該研究所用于提高金屬 3D 打印穩(wěn)定性和生產(chǎn)率的光束整形研究的見(jiàn)解，他表示這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是調(diào)整激光分布以優(yōu)化激光粉末床熔合（LPBF）中的熔池能量輸入，解決傳統(tǒng)高斯分布引起的問(wèn)題。光束整形對(duì)于激光輪廓調(diào)整至關(guān)重要，可確保均勻的溫度分布。該技術(shù)具有增強(qiáng)的微觀結(jié)構(gòu)控制、潛在的成本節(jié)約以及高達(dá) 2.5 倍的打印速度等優(yōu)勢(shì)，有助于提高生產(chǎn)效率。

△透鏡設(shè)計(jì)和焦點(diǎn)處的光束輪廓。圖像 (a) 使用光學(xué)顯微鏡以 100 倍放大倍率拍攝，示意性地顯示了 470 µm 長(zhǎng)的 FG250LA 無(wú)芯中二極管連接的 FG105LCA 多模光纖發(fā)出的 808 nm 泵浦光（紅色）的光束擴(kuò)展直徑為 250 µm 的光纖。透鏡將光束聚焦到工作距離為 357 µm 的焦點(diǎn) w 0（未按比例），相應(yīng)的光束輪廓如 (b) 所示。它呈現(xiàn)出近似對(duì)稱的輪廓，符合高斯分布，如圓形白色輪廓線所示。高斯半高寬以黃色標(biāo)記，分別為 FWHM x  = 67 µm 和 FWHM y  = 64 µm。x軸和y軸上的白色曲線顯示各個(gè)維度中中心 20 條像素線的總和。面板（c）是用光學(xué)顯微鏡以 60 倍放大倍率拍攝的，顯示了與（a）類似的腔激光束（綠色）的傳播。1064 nm 波長(zhǎng)的光束通過(guò) 1370 µm 長(zhǎng)、直徑 250 µm 的 FG250LA 無(wú)芯光纖耦合到 PM980XP 光纖。(d) 焦點(diǎn)處信號(hào)光的光束輪廓，以 60 倍放大倍率成像，以與 (b) 類似的方式繪制。高斯 FWHM（黃色）較小，F(xiàn)WHM x  = 23 µm 和 FWHM y  = 26 µm。

在2023年 1 月，3DM Digital Manufacturing推出了一項(xiàng)技術(shù)，使用戶能夠針對(duì)特定材料或應(yīng)用定制選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D 打印激光器。該公司的專有激光器使用量子級(jí)聯(lián)激光器，提供可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)、更快的激光吸收和高表面光潔度。通過(guò)在聚合物制造中的應(yīng)用，該可擴(kuò)展技術(shù)旨在擴(kuò)大工業(yè) 3D 打印的市場(chǎng)份額。