En els darrers anys, la tecnologia d'impressió 3D s'ha utilitzat cada cop més en diverses indústries, especialment en la fabricació de precisió i l'òptica. Un equip d'investigadors de la Universitat de Stuttgart a Alemanya ha fet recentment ungran avençquan van demostrar per primera vegada que l'òptica en miniatura basada en polímers impresos en 3D és capaç de suportar la calor i l'energia generada dins d'un làser. Aquest descobriment obre el camí per a la fabricació de fonts làser barates, compactes i estables que són extremadament importants en una varietat d'escenaris d'aplicació, especialment en sistemes LIDAR utilitzats en cotxes autònoms.
Simon Angstenberger, cap de l'equip d'investigació de l'Institut de Física IV de la Universitat de Stuttgart, va dir: "Utilitzant la tecnologia d'impressió 3D, hem creat microòptica d'alta qualitat directament a les fibres de vidre dins del làser, reduint significativament la seva mida. Aquesta és la primera vegada que aquestes òptiques impreses en 3D s'utilitzen en un làser real, demostrant completament el seu llindar de tolerància al dany i estabilitat".
A la revista Optics Letters, l'equip descriu en detall com van imprimir en 3D la micro-òptica directament a la fibra òptica, combinant així estretament la fibra amb el cristall làser en un sol oscil·lador làser. El làser híbrid va poder funcionar de manera estable a 1063,4 nm amb una potència de sortida de més de 20 mW i una potència de sortida màxima de 37 mW.
El nou làser combina la compacitat, la robustesa i els avantatges de baix cost dels làsers de fibra amb els avantatges dels làsers d'estat sòlid basats en cristalls, que tenen una àmplia gamma de característiques de rendiment com diferents potències i colors. A la figura 1 es mostra el disseny del làser acoblat a fibra utilitzant una lent impresa en 3D.
Simon Angstenberger assenyala: "Fins ara, l'òptica impresa en 3D s'ha utilitzat principalment en escenaris de baixa potència, com l'endoscòpia. No obstant això, demostrem el potencial d'aquestes tecnologies per a aplicacions d'alta potència, com ara per a fotolitografia i marcatge làser. Mostrem que aquestes microòptiques en 3D impreses directament sobre fibres òptiques poden concentrar grans quantitats de llum en un sol punt, la qual cosa és de gran valor en aplicacions en medicina, com la destrucció precisa de cèl·lules canceroses".
Fabricació de lents a microescala directament sobre fibres òptiques
L'Institut de Física IV de la Universitat de Stuttgart té una àmplia experiència en recerca en el camp de la microòptica impresa en 3D, amb especial experiència en la impressió directament sobre fibres òptiques. Utilitzen un mètode d'impressió 3D anomenat "polimerització de dos fotons", en el qual un làser infrarojo s'enfoca en un fotoresistent sensible als UV.
A l'àrea focal del làser, s'absorbeixen dos fotons infrarojos al mateix temps, cosa que millora la resistència als UV. En moure el punt focal, es poden crear múltiples formes amb alta precisió. Aquesta tecnologia no només permet la fabricació d'òptiques en miniatura sinó també noves funcions, com ara la creació d'elements òptics de forma lliure o sistemes de lents complexos.
Aquests components impresos en 3D estan fets de polímers i no estàvem segurs de si podrien suportar les grans quantitats de calor i potència òptica generades a la cavitat del làser", diu Simon Angstenberger. No obstant això, més tard es va trobar que no es va observar cap dany. a les lents fins i tot després d'executar el làser durant un llarg període de temps durant diverses hores, cosa que demostra la seva estabilitat extremadament alta".
En aquest darrer estudi, els investigadors van utilitzar una impressora 3D fabricada per Nanoscribe per fabricar lents amb un diàmetre de 0,25 mm i una alçada de 80 μm a l'extrem de fibres òptiques del mateix diàmetre mitjançant dos polimerització de fotons (Fig. 2). El procés consisteix a dissenyar l'òptica, inserir la fibra a la impressora 3D, i després imprimir amb precisió la microestructura a l'extrem de la fibra, la qual cosa requereix un alt grau de precisió en l'alineació de les fibres impreses i en la pròpia impressió.
Creació del làser híbrid
Un cop finalitzada la impressió 3D, l'equip es va dedicar a muntar el làser i la cavitat làser. A diferència de les cavitats làser tradicionals que utilitzen miralls voluminosos i cars, van utilitzar fibres per formar part de la cavitat, creant un làser híbrid de fibra-cristall únic. En aquest disseny, s'utilitzen lents en miniatura impreses a l'extrem de la fibra per enfocar i recollir o acoblar la llum emesa i rebuda pel cristall làser. Per millorar l'estabilitat del sistema i reduir els efectes de la turbulència de l'aire, els investigadors van assegurar la fibra a un suport. Cal destacar que el cristall i la lent impresa tenen una mida molt compacta de 5 × 5 cm².
En registrar contínuament la potència de sortida del làser durant diverses hores, els investigadors van comprovar que no hi havia degradació en el rendiment de l'òptica impresa en 3D del sistema i que no afectava l'eficàcia operativa a llarg termini del làser. A més, l'observació de l'òptica a la cavitat làser mitjançant un microscopi electrònic d'escaneig no va revelar cap dany visible. Simon Angstenberger va assenyalar: "Hem trobat que les òptiques impreses eren més estables en comparació amb la reixa comercial de Bragg de fibra que vam utilitzar, la qual cosa finalment va limitar la nostra potència màxima".
L'equip d'investigació està treballant actualment per optimitzar l'eficiència de l'òptica impresa en 3D. Tenen previst utilitzar fibres òptiques més grans amb dissenys optimitzats de lents de forma lliure i lents asfèriques o intenten imprimir combinacions de lents directament a la fibra per augmentar la potència de sortida. Al mateix temps, tenen previst utilitzar diferents tipus de cristalls als làsers, que permetran personalitzar i optimitzar les característiques de sortida per a aplicacions específiques.
