در سال های اخیر، فناوری چاپ سه بعدی به طور فزاینده ای در صنایع مختلف، به ویژه در ساخت دقیق و اپتیک استفاده شده است. تیمی از محققان دانشگاه اشتوتگارت آلمان اخیراً یکموفقیت بزرگزمانی که آنها برای اولین بار نشان دادند که اپتیک های مینیاتوری مبتنی بر پلیمرهای چاپ سه بعدی قادر به مقاومت در برابر گرما و توان تولید شده در داخل لیزر هستند. این کشف راه را برای ساخت منابع لیزری ارزان، فشرده و پایدار هموار می کند که در انواع سناریوهای کاربردی، به ویژه در سیستم های LIDAR که در خودروهای خودران استفاده می شوند، بسیار مهم هستند.
Simon Angstenberger، سرپرست تیم تحقیقاتی موسسه فیزیک IV در دانشگاه اشتوتگارت، گفت: "با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی، میکرواپتیک های با کیفیت بالا را مستقیماً بر روی الیاف شیشه ای داخل لیزر ایجاد کرده ایم که به طور قابل توجهی اندازه آن را کاهش می دهد. این اولین باری است که چنین اپتیکهای چاپ سهبعدی در یک لیزر واقعی استفاده میشود و آستانه تحمل آسیب و پایداری بالای آنها را بهطور کامل نشان میدهد.»
در مجله Optics Letters، تیم به تفصیل توضیح میدهد که چگونه میکرواپتیک را بهصورت سه بعدی مستقیماً روی فیبر نوری چاپ کردند، بنابراین فیبر را با کریستال لیزر در یک نوسانگر لیزری بهطور محکم ترکیب کردند. لیزر هیبریدی قادر بود در 1063.4 نانومتر با توان خروجی بیش از 20 مگاوات و حداکثر توان خروجی 37 مگاوات به طور پایدار کار کند.
لیزر جدید ترکیبی از فشردگی، استحکام و مزایای کم هزینه لیزرهای فیبر با مزایای لیزرهای حالت جامد مبتنی بر کریستال است که دارای طیف گسترده ای از ویژگی های عملکردی مانند قدرت ها و رنگ های مختلف است. طراحی لیزر فیبر کوپل شده با استفاده از یک لنز چاپ سه بعدی در شکل 1 نشان داده شده است.
Simon Angstenberger خاطرنشان میکند: "تاکنون، اپتیکهای چاپ سهبعدی عمدتاً در سناریوهای کممصرف مانند آندوسکوپی استفاده شدهاند. با این حال، ما پتانسیل این فناوریها را برای کاربردهای پرقدرت، مانند فوتولیتوگرافی و علامتگذاری لیزری نشان میدهیم. ما نشان میدهیم. این میکرواپتیکهای سهبعدی که مستقیماً روی فیبرهای نوری چاپ میشوند، میتوانند مقادیر زیادی نور را در یک نقطه متمرکز کنند، که در کاربردهای پزشکی، مانند تخریب دقیق سلولهای سرطانی، ارزش زیادی دارد.»
ساخت لنزهای میکروسکوپی به طور مستقیم بر روی فیبرهای نوری
مؤسسه فیزیک IV در دانشگاه اشتوتگارت دارای تجربه تحقیقاتی گسترده ای در زمینه میکرواپتیک های چاپ سه بعدی، با تخصص ویژه در چاپ مستقیم بر روی فیبرهای نوری است. آنها از روش چاپ سه بعدی به نام "پلیمریزاسیون دو فوتونی" استفاده می کنند که در آن یک لیزر مادون قرمز بر روی یک مقاوم به نور UV متمرکز می شود.
در ناحیه کانونی لیزر، دو فوتون مادون قرمز به طور همزمان جذب می شوند که مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش را افزایش می دهد. با جابجایی نقطه کانونی می توان چندین اشکال را با دقت بالا ایجاد کرد. این فناوری نه تنها ساخت اپتیک های مینیاتوری را امکان پذیر می کند، بلکه عملکردهای جدیدی مانند ایجاد عناصر نوری آزاد یا سیستم های لنز پیچیده را نیز ممکن می سازد.
سایمون آنگستنبرگر میگوید: «این قطعات پرینتشده سه بعدی از پلیمرها ساخته شدهاند و ما مطمئن نبودیم که آیا میتوانند مقادیر زیادی گرما و قدرت نوری تولید شده در حفره لیزر را تحمل کنند." بر روی لنزها حتی پس از اجرای طولانی مدت لیزر به مدت چندین ساعت که پایداری بسیار بالای آنها را ثابت می کند."
در این مطالعه جدید، محققان از چاپگر سه بعدی تولید شده توسط Nanoscript برای ساخت عدسی هایی با قطر 0.25 میلی متر و ارتفاع 80 میکرومتر در انتهای فیبرهای نوری با همان قطر با استفاده از دو عدد استفاده کردند. پلیمریزاسیون فوتون (شکل 2). این فرآیند شامل طراحی اپتیک، قرار دادن فیبر در چاپگر سه بعدی و سپس چاپ دقیق ریزساختار در انتهای فیبر است که به دقت بالایی در تراز فیبرهای چاپ شده و در خود چاپ نیاز دارد.
ایجاد لیزر هیبریدی
پس از تکمیل پرینت سه بعدی، تیم کار مونتاژ لیزر و حفره لیزر را آغاز کرد. برخلاف حفرههای لیزری سنتی که از آینههای حجیم و گران قیمت استفاده میکنند، آنها از الیاف برای تشکیل بخشی از حفره استفاده میکنند و یک لیزر فیبر کریستال ترکیبی منحصر به فرد ایجاد میکنند. در این طرح از لنزهای مینیاتوری چاپ شده در انتهای فیبر برای فوکوس و جمع آوری و یا جفت کردن نور ساطع و دریافت شده توسط کریستال لیزر استفاده می شود. برای بهبود پایداری سیستم و کاهش اثرات تلاطم هوا، محققان فیبر را روی یک نگهدارنده محکم کردند. قابل ذکر است که کریستال و لنز چاپ شده دارای اندازه بسیار فشرده 5 × 5 سانتی متر مربع هستند.
با ثبت مداوم توان خروجی لیزر به مدت چند ساعت، محققان تأیید کردند که هیچ تنزلی در عملکرد اپتیک چاپ سه بعدی در سیستم وجود ندارد و تأثیری بر اثربخشی عملیاتی طولانی مدت لیزر ندارد. علاوه بر این، مشاهده اپتیک در حفره لیزر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی هیچ آسیب قابل مشاهده ای را نشان نداد. سیمون آنگستنبرگر خاطرنشان کرد: "ما دریافتیم که اپتیک چاپی در مقایسه با توری فیبر تجاری Bragg که ما استفاده می کردیم، پایدارتر بود، که در نهایت حداکثر توان ما را محدود کرد."
تیم تحقیقاتی در حال حاضر برای بهینه سازی کارایی اپتیک های چاپ سه بعدی کار می کنند. آنها قصد دارند از فیبرهای نوری بزرگتر با لنزهای آزاد بهینه و طراحی لنزهای غیرکروی استفاده کنند یا سعی کنند ترکیب لنزها را مستقیماً روی فیبر چاپ کنند تا توان خروجی را افزایش دهند. در عین حال، آنها قصد دارند از انواع مختلف کریستال ها در لیزرها استفاده کنند که امکان سفارشی سازی و بهینه سازی ویژگی های خروجی را برای برنامه های خاص فراهم می کند.
