3D打印用于开发紧凑型混合激光设计

2023年12月15日，南极熊获悉，研究人员首次证明，3D打印的聚合物微光学器件可以承受激光器内部产生的热量和功率水平。这一进步使得廉价、紧凑、稳定的激光源成为可能，未来可用于多种应用，包括用于自动驾驶车辆的激光雷达系统。

△该示意图显示了使用3D打印透镜进行光纤耦合的激光器设计。新型激光器结合了光纤和晶体固体激光器的优点

德国斯图加特大学第四物理研究所的研究小组负责人Simon Angstenberger表示：“我们通过在激光器内部直接使用的玻璃纤维上，利用3D打印技术制造了高质量的微光学器件，显著减小了激光器的尺寸。这是首次在现实激光器中实现此类3D打印光学器件，凸显了其高损伤阈值和稳定性。”

在期刊光学快报中，研究人员描述了他们如何将微型光学器件直接3D打印到光纤上，从而将光纤和激光晶体组合在一个紧凑的单个激光振荡器。所得混合激光器在1063.4 nm处稳定工作，输出功率超过20 mW，最大输出功率为37 mW。

新型激光器结合了光纤激光器的紧凑性、坚固性和低成本，以及晶体固态激光器的优点，可以具有多种特性，例如不同的功率和颜色。

Angstenberger解释道：“迄今为止，3D打印光学器件主要应用于内窥镜等低功率场景。然而，将其应用于高功率需求的光刻和激光打标领域具有潜在价值。我们成功演示了在纤维上打印的3D微光学器件，能够将大量光聚焦到一个点，对于实现精确破坏癌组织等医疗应用具有重要意义。”

△研究人员将微型透镜直接打印到光纤上，使它们能够将光纤和激光晶体紧凑地组合在单个激光振荡器内

如何巧妙带走热量

斯图加特大学第四物理研究所在开发3D打印微光学器件方面拥有悠久的历史，尤其是直接在纤维上打印它们的能力。他们使用一种称为双光子聚合的3D打印方法，将红外激光聚焦到紫外线敏感的光刻胶中。

在激光的聚焦区域，两个红外光子将被同时吸收，从而增强了抗紫外线能力。移动焦点可以高精度地创建各种形状。这种方法可用于创建微型光学器件，还可以实现新颖的功能，例如创建自由形状光学器件或复杂的透镜系统。

△透镜设计和焦点处的光束轮廓

Angstenberger解释道：“由于这些3D打印元件由聚合物制成，目前尚不清楚它们是否能够承受激光腔内产生的大量热负荷和光功率。但我们发现它们非常稳定，即使在运行激光几个小时后，也无法观察到镜片上有任何损坏。”

在这项新研究中，研究人员使用Nanoscribe制造的3D打印机，通过双光子聚合在相同直径的光纤末端制造直径0.25毫米、高度80微米的透镜。

这涉及使用商业软件设计光学元件，将光纤插入3D打印机，然后在末端打印小型结构的纤维。这个过程在打印与纤维的对齐以及打印本身的准确性方面必须非常精确。

△该研究已在光学快报上发表，题目为“具有3 打印腔内透镜的混合光纤固体激光器”（传送门）

创建混合激光器

打印完成后，研究人员组装了激光器和激光腔。他们没有在笨重且昂贵的镜子激光腔内使用晶体，而是使用光纤构成腔的一部分，从而创建了混合光纤晶体激光器。

通过在光纤末端打印透镜，该团队成功实现了对激光的聚焦和光的收集或耦合，使其能够进入和离开激光晶体。为了增强激光系统的稳定性并减小器件尺寸，他们将光纤巧妙地粘合到支架上。这种高效的制备方法使得整个激光系统的尺寸仅为5 x 5CM²，其中水晶和打印的透镜均呈小型化。

在连续几个小时内记录激光功率后，该团队验证了3D打印光学器件不会影响激光器的长期性能。扫描电子显微镜图像在激光腔中使用后的光学器件上没有显示任何可见的损坏。Angstenberger补充道：“有趣的是，我们发现3D打印光学器件比我们使用的商用光纤布拉格光栅更稳定。”

该团队表示，他们正在致力于优化3D打印光学器件的效率。计划通过优化自由曲面和非球面透镜设计，结合较大光纤或直接在光纤上进行透镜打印，以提高输出功率。此外，他们还计划展示激光器中不同类型的晶体，以实现对特定应用的定制输出。