3D打印用于開發(fā)緊湊型混合激光設計

2023年12月15日，南極熊獲悉，研究人員首次證明，3D打印的聚合物微光學器件可以承受激光器內部產生的熱量和功率水平。這一進步使得廉價、緊湊、穩(wěn)定的激光源成為可能，未來可用于多種應用，包括用于自動駕駛車輛的激光雷達系統(tǒng)。

△該示意圖顯示了使用3D打印透鏡進行光纖耦合的激光器設計。新型激光器結合了光纖和晶體固體激光器的優(yōu)點

德國斯圖加特大學第四物理研究所的研究小組負責人Simon Angstenberger表示：“我們通過在激光器內部直接使用的玻璃纖維上，利用3D打印技術制造了高質量的微光學器件，顯著減小了激光器的尺寸。這是首次在現(xiàn)實激光器中實現(xiàn)此類3D打印光學器件，凸顯了其高損傷閾值和穩(wěn)定性。”

在期刊光學快報中，研究人員描述了他們如何將微型光學器件直接3D打印到光纖上，從而將光纖和激光晶體組合在一個緊湊的單個激光振蕩器。所得混合激光器在1063.4 nm處穩(wěn)定工作，輸出功率超過20 mW，最大輸出功率為37 mW。

新型激光器結合了光纖激光器的緊湊性、堅固性和低成本，以及晶體固態(tài)激光器的優(yōu)點，可以具有多種特性，例如不同的功率和顏色。

Angstenberger解釋道：“迄今為止，3D打印光學器件主要應用于內窺鏡等低功率場景。然而，將其應用于高功率需求的光刻和激光打標領域具有潛在價值。我們成功演示了在纖維上打印的3D微光學器件，能夠將大量光聚焦到一個點，對于實現(xiàn)精確破壞癌組織等醫(yī)療應用具有重要意義。”

△研究人員將微型透鏡直接打印到光纖上，使它們能夠將光纖和激光晶體緊湊地組合在單個激光振蕩器內

如何巧妙帶走熱量

斯圖加特大學第四物理研究所在開發(fā)3D打印微光學器件方面擁有悠久的歷史，尤其是直接在纖維上打印它們的能力。他們使用一種稱為雙光子聚合的3D打印方法，將紅外激光聚焦到紫外線敏感的光刻膠中。

在激光的聚焦區(qū)域，兩個紅外光子將被同時吸收，從而增強了抗紫外線能力。移動焦點可以高精度地創(chuàng)建各種形狀。這種方法可用于創(chuàng)建微型光學器件，還可以實現(xiàn)新穎的功能，例如創(chuàng)建自由形狀光學器件或復雜的透鏡系統(tǒng)。

△透鏡設計和焦點處的光束輪廓

Angstenberger解釋道：“由于這些3D打印元件由聚合物制成，目前尚不清楚它們是否能夠承受激光腔內產生的大量熱負荷和光功率。但我們發(fā)現(xiàn)它們非常穩(wěn)定，即使在運行激光幾個小時后，也無法觀察到鏡片上有任何損壞�！�

在這項新研究中，研究人員使用Nanoscribe制造的3D打印機，通過雙光子聚合在相同直徑的光纖末端制造直徑0.25毫米、高度80微米的透鏡。

這涉及使用商業(yè)軟件設計光學元件，將光纖插入3D打印機，然后在末端打印小型結構的纖維。這個過程在打印與纖維的對齊以及打印本身的準確性方面必須非常精確。

△該研究已在光學快報上發(fā)表，題目為“具有3 打印腔內透鏡的混合光纖固體激光器”（傳送門）

創(chuàng)建混合激光器

打印完成后，研究人員組裝了激光器和激光腔。他們沒有在笨重且昂貴的鏡子激光腔內使用晶體，而是使用光纖構成腔的一部分，從而創(chuàng)建了混合光纖晶體激光器。

通過在光纖末端打印透鏡，該團隊成功實現(xiàn)了對激光的聚焦和光的收集或耦合，使其能夠進入和離開激光晶體。為了增強激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減小器件尺寸，他們將光纖巧妙地粘合到支架上。這種高效的制備方法使得整個激光系統(tǒng)的尺寸僅為5 x 5CM²，其中水晶和打印的透鏡均呈小型化。

在連續(xù)幾個小時內記錄激光功率后，該團隊驗證了3D打印光學器件不會影響激光器的長期性能。掃描電子顯微鏡圖像在激光腔中使用后的光學器件上沒有顯示任何可見的損壞。Angstenberger補充道：“有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)3D打印光學器件比我們使用的商用光纖布拉格光柵更穩(wěn)定�！�

該團隊表示，他們正在致力于優(yōu)化3D打印光學器件的效率。計劃通過優(yōu)化自由曲面和非球面透鏡設計，結合較大光纖或直接在光纖上進行透鏡打印，以提高輸出功率。此外，他們還計劃展示激光器中不同類型的晶體，以實現(xiàn)對特定應用的定制輸出。