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

導讀：微型 3D 打印技術已經徹底改變了微光學應用，涵蓋內窺鏡、成像和量子技術等領域。在所有這些應用中，小型化是關鍵，結合幾乎無限的設計空間相結合，微型 3D 打印正在開辟新的應用途徑。

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

相關研究以題為 “具有 3D 打印腔內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《光學雜志》期刊上，由Simon Angstenberger, Pavel Ruchka等人聯(lián)合撰寫。

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 打印技術直接在光纖上制造微型光學元件，將光纖和激光晶體無縫集成到單個激光振蕩器中。在保持穩(wěn)定性的同時，所得的混合激光器在 1063.4 nm 處產生超過 20 mW 的一致輸出，達到 37 mW 的峰值。這款激光器的獨特之處在于它結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）。這項研究代表了在制造價格實惠、小型且可靠的激光器方面取得的重大進步，特別有利于自動駕駛汽車中的激光雷達系統(tǒng)。

斯圖加特大學第四物理研究所研究小組負責人 Simon Angstenberger 表示：“我們通過使用 3D 打印直接在激光器內部使用的玻璃纖維上制造高質量的微光學器件，顯著減小了激光器的尺寸。這是此類 3D 打印光學器件首次在現(xiàn)實世界的激光器中應用，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，使它們能夠將光纖和激光晶體緊湊地組合在單個激光振蕩器內。照片由德國斯圖加特大學第四物理研究所 Moritz Floess 和Simon Angstenberger 拍攝

從笨重的激光器到采用 3D 打印光學器件的緊湊型動力源

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

在這項研究中，使用Nanoscribe 3D 打印機通過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)軟件設計光學元件，將光纖插入 3D 打印機，并將復雜結構打印到光纖末端。打印與纖維的精確對準以及確保打印過程的準確性是這一細致過程的關鍵方面。

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。這種方法產生了混合光纖晶體激光器，打印透鏡將光線聚焦并收集進出激光晶體。然后將光纖固定在支架上，以增強系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低對空氣湍流的敏感性，從而形成緊湊的 5 x 5 cm 2激光系統(tǒng)。

在幾個小時內，對激光功率進行了連續(xù)監(jiān)測，確認打印光學器件沒有出現(xiàn)退化，并且不會對激光器的長期性能產生不利影響。在激光腔中使用后的光學器件的掃描電子顯微鏡圖像顯示沒有可見的損壞。研究人員目前專注于優(yōu)化打印光學器件的效率，探索更大的光纖和不同的透鏡設計，以增強輸出功率和針對特定應用的定制選項。

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

△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。 照片來自德國斯圖加特大學第四物理研究所 Simon Angstenberger

激光技術的進步

Fraunhofer IAPT的 L-PBF負責人Philipp Kohlwes 分享了對該研究所用于提高金屬 3D 打印穩(wěn)定性和生產率的光束整形研究的見解，他表示這項研究的重點是調整激光分布以優(yōu)化激光粉末床熔合（LPBF）中的熔池能量輸入，解決傳統(tǒng)高斯分布引起的問題。光束整形對于激光輪廓調整至關重要，可確保均勻的溫度分布。該技術具有增強的微觀結構控制、潛在的成本節(jié)約以及高達 2.5 倍的打印速度等優(yōu)勢，有助于提高生產效率。

△透鏡設計和焦點處的光束輪廓。圖像 (a) 使用光學顯微鏡以 100 倍放大倍率拍攝，示意性地顯示了 470 µm 長的 FG250LA 無芯中二極管連接的 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 w 0（未按比例），相應的光束輪廓如 (b) 所示。它呈現(xiàn)出近似對稱的輪廓，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維度中中心 20 條像素線的總和。面板（c）是用光學顯微鏡以 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 波長的光束通過 1370 µm 長、直徑 250 µm 的 FG250LA 無芯光纖耦合到 PM980XP 光纖。(d) 焦點處信號光的光束輪廓，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推出了一項技術，使用戶能夠針對特定材料或應用定制選擇性激光燒結 (SLS) 3D 打印激光器。該公司的專有激光器使用量子級聯(lián)激光器，提供可調節(jié)的波長、更快的激光吸收和高表面光潔度。通過在聚合物制造中的應用，該可擴展技術旨在擴大工業(yè) 3D 打印的市場份額。