Forskere skaber stabil hybridlaser ved at 3D-printe mikrooptik på fibre
For første gang har forskere vist, at 3D-printet polymerbaseret mikrooptik kan modstå de varme- og effektniveauer, der opstår inde i en laser. Forskuddet muliggør billige, kompakte og stabile laserkilder, der ville være nyttige i en række forskellige applikationer, herunder lidar-systemer, der bruges til autonome køretøjer.
"Vi reducerede størrelsen af en laser markant ved at bruge 3D-print til at fremstille højkvalitets mikro-optik direkte på glasfibre, der bruges inde i lasere," sagde leder af forskningsteamet Simon Angstenberger fra 4th Physics Institute ved Universitetet i Stuttgart i Tyskland. "Dette er den første implementering af en sådan 3D-printet optik i en laser i den virkelige verden, der fremhæver deres høje skadestærskel og stabilitet."
I tidsskriftet Optics Letters , beskriver forskerne, hvordan de 3D-printede mikroskalaoptik direkte på optiske fibre for at kombinere fibre og laserkrystaller inde i en enkelt laseroscillator på en kompakt måde. Den resulterende hybridlaser udviste stabil drift ved udgangseffekter på over 20 mW ved 1063,4 nm og havde en maksimal udgangseffekt på 37 mW.
Den nye laser kombinerer kompaktheden, robustheden og de lave omkostninger ved fiberbaserede lasere med fordelene ved krystalbaserede solid-state lasere, som kan have en bred vifte af egenskaber såsom forskellige styrker og farver.
"Indtil nu har 3D-printet optik primært været brugt til lav-effekt applikationer såsom endoskopi," sagde Angstenberger. "Evnen til at bruge dem med højeffektapplikationer kunne være nyttig til f.eks. litografi og lasermarkering. Vi viste, at disse 3D-mikrooptik printet på fibre kan bruges til at fokusere store mængder lys ned til et enkelt punkt, hvilket kunne være nyttigt til medicinske anvendelser, såsom præcis ødelæggelse af kræftvæv."
Tager varmen
Det 4. Fysik Institut ved Universitetet i Stuttgart har en lang historie med at udvikle 3D-printet mikrooptik, især evnen til at printe dem direkte på fibre. De bruger en 3D-printmetode kendt som to-foton polymerisation, som fokuserer en infrarød laser til en UV-følsom fotoresist.
I laserens brændområde vil to infrarøde fotoner blive absorberet samtidigt, hvilket hærder UV-modstanden. Ved at flytte fokus rundt kan forskellige former skabes med høj præcision. Denne metode kan bruges til at skabe miniaturiseret optik og tillader også nye funktionaliteter, såsom skabelsen af fri-form optik eller komplekse linsesystemer.
"Fordi disse 3D-printede elementer er lavet af polymerer, var det uklart, om de kunne modstå den betydelige mængde varmebelastning og optisk kraft, der opstår inde i et laserhulrum," sagde Angstenberger. "Vi fandt ud af, at de er overraskende stabile, og vi var ikke i stand til at observere nogen form for skade på linserne, selv efter flere timers kørsel med laseren."
Til den nye undersøgelse brugte forskerne en 3D-printer lavet af Nanoscribe til at fremstille linser med en 0,25 mm diameter og højde på 80 mikron på enden af en fiber med samme diameter ved hjælp af to-foton polymerisation.
Dette indebar at designe et optisk element med kommerciel software, indsætte fiberen i 3D-printeren og derefter printe den lille struktur på enden af fiberen. Denne proces skal være ekstremt præcis med hensyn til at tilpasse udskrivningen til fiberen og nøjagtigheden af selve udskrivningen.
Oprettelse af en hybridlaser
Efter at udskrivningen var færdig, samlede forskerne laseren og laserhulrummet. I stedet for at bruge en krystal inde i et laserhulrum lavet af omfangsrige og kostbare spejle, brugte de fibre til at danne en del af hulrummet, hvilket skabte en hybrid fiber-krystallaser. Linserne printet for enden af fibrene fokuserer og samler – eller kobler – lyset ind og ud af laserkrystallen.
De limede derefter fibrene ind i en holder for at gøre lasersystemet mere stabilt og mindre modtageligt for luftturbulens. Krystallen og de printede linser målte kun 5 x 5 cm 2 .
Kontinuerlig registrering af lasereffekten over flere timer bekræftede, at den printede optik inde i systemet ikke forringedes eller påvirkede laserens langsigtede egenskaber. Derudover viste scanningselektronmikroskopibilleder af optikken efter brug i laserhulrummet ingen synlig skade. "Interessant nok fandt vi ud af, at den trykte optik var mere stabil end den kommercielle fiber Bragg-rist, vi brugte, hvilket endte med at begrænse vores maksimale effekt," sagde Angstenberger.
Forskerne arbejder nu på at optimere effektiviteten af den printede optik. Større fibre med optimeret friform og asfærisk linsedesign eller en kombination af linser printet direkte på fiberen kan hjælpe med at forbedre udgangseffekten. De vil også gerne demonstrere forskellige krystaller i laseren, som kunne gøre det muligt at tilpasse outputtet til specifikke applikationer.
Flere oplysninger: Simon Angstenberger et al., Hybrid fiber-faststoflaser med 3D-printede intrakavitetslinser, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940
Journaloplysninger: Optikbogstaver
Leveret af Optica
Varme artikler
-
Beregningsalgoritme til at reducere elektromagnetisk støj i elektroniske kredsløb udvikletEksempler på forskningsresultatet. Et pulssignal inducerer en række pulser på transmissionslinjen (til venstre). Forbedring af transmissionslinjearrangementet og sammenkoblede kredsløbstilslutninger g -
Forskere eksperimenterer med geometriske faktorer for at maksimere plasma -jetlængdenEt diagram over kapillærens mekaniske struktur. Kredit:Li/Xiong/Cheng/Peng/Pan Plasmaudbrud, kaldet plasmastråler, har mange anvendelsesmuligheder lige fra udviklingen af mere effektive motorer, -
En elastisk fiber fyldt med elektroder, der skal revolutionere smart tøjFibrene kan modstå deformation på tæt på 500 procent, før de genopretter deres oprindelige form. Kredit:Alban Kakulya / EPFL EPFL har udviklet små fibre lavet af elastomer, der kan inkorporere mat -
Atomkæder bevæger sig lynhurtigt inde i metallerMassetransport i titanium. Kredit:Linköpings universitet Et fænomen, der tidligere er set, når forskere simulerer egenskaberne af planetkerner ved ekstreme tryk, er nu også blevet observeret i ren
- Undersøge bæredygtige agrometeorologiske tjenester og resultater for landbruget i Laos
- Videnskabsprojekter på slanger
- Forskere finder, at klimaændringer bringer landes evne til at tilbagebetale pandemisk gæld i fare
- Kvinder er bedre til statistik, end de tror
- Banke, banke! Hvem der?
- For evigt viste kemikalier at regne ned på alle fem store søer