Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che le micro-ottiche basate su polimeri stampati in 3D possono resistere ai livelli di calore e potenza che si verificano all’interno di un laser. Questo progresso consente sorgenti laser poco costose, compatte e stabili che potrebbero essere utili in una varietà di applicazioni, inclusi i sistemi lidar utilizzati per i veicoli autonomi.
“Abbiamo ridotto significativamente le dimensioni di un laser utilizzando la stampa 3D per fabbricare micro-ottiche di alta qualità direttamente sulle fibre di vetro utilizzate all’interno dei laser”, ha affermato il leader del gruppo di ricerca Simon Angstenberger del 4° Istituto di fisica dell’Università di Stoccarda in Germania. "Questa è la prima implementazione di tali ottiche stampate in 3D in un laser del mondo reale, evidenziandone l'elevata soglia di danno e la stabilità."
Nella rivista Lettere di ottica , i ricercatori descrivono come hanno stampato in 3D l’ottica su microscala direttamente su fibre ottiche per combinare fibre e cristalli laser all’interno di un singolo oscillatore laser in modo compatto. Il laser ibrido risultante ha mostrato un funzionamento stabile con potenze di uscita di oltre 20 mW a 1063,4 nm e aveva una potenza di uscita massima di 37 mW.
Il nuovo laser combina la compattezza, la robustezza e il basso costo dei laser a fibra con i vantaggi dei laser a stato solido a base di cristalli, che possono avere un'ampia gamma di proprietà come diverse potenze e colori.
“Fino ad ora, le ottiche stampate in 3D sono state utilizzate principalmente per applicazioni a basso consumo come l’endoscopia”, ha affermato Angstenberger. "La possibilità di utilizzarli con applicazioni ad alta potenza potrebbe essere utile per la litografia e la marcatura laser, ad esempio. Abbiamo dimostrato che queste micro-ottiche 3D stampate su fibre possono essere utilizzate per focalizzare grandi quantità di luce su un singolo punto, il che potrebbe essere utile per applicazioni mediche come la distruzione precisa del tessuto canceroso."
Il 4° Istituto di Fisica dell’Università di Stoccarda ha una lunga storia nello sviluppo di micro-ottiche stampate in 3D, in particolare nella capacità di stamparle direttamente sulle fibre. Utilizzano un approccio di stampa 3D noto come polimerizzazione a due fotoni, che focalizza un laser a infrarossi in un fotoresist sensibile ai raggi UV.
Nella regione focale del laser verranno assorbiti contemporaneamente due fotoni infrarossi, il che rafforza la resistenza ai raggi UV. Lo spostamento della messa a fuoco consente di creare varie forme con elevata precisione. L'utilizzo di questo metodo può essere utilizzato per creare ottiche miniaturizzate e consente anche nuove funzionalità come la creazione di ottiche a forma libera o sistemi di lenti complessi.
“Poiché questi elementi stampati in 3D sono fatti di polimeri, non era chiaro se potessero sopportare la quantità significativa di carico termico e potenza ottica che si verifica all’interno di una cavità laser”, ha affermato Angstenberger. "Abbiamo scoperto che sono sorprendentemente stabili e non siamo stati in grado di osservare alcun tipo di danno sulle lenti anche dopo diverse ore di utilizzo del laser."
Per il nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D realizzata da Nanoscribe per fabbricare lenti con un diametro di 0,25 mm e un'altezza di 80 micron sull'estremità di una fibra con lo stesso diametro utilizzando la polimerizzazione a due fotoni.
Ciò ha comportato la progettazione di un elemento ottico con un software commerciale, l’inserimento della fibra nella stampante 3D e quindi la stampa della piccola struttura all’estremità della fibra. Questo processo deve essere estremamente preciso in termini di allineamento della stampa alla fibra e di accuratezza della stampa stessa.
Una volta completata la stampa, i ricercatori hanno assemblato il laser e la cavità laser. Invece di utilizzare un cristallo all’interno di una cavità laser fatta di specchi ingombranti e costosi, hanno utilizzato le fibre per formare parte della cavità, creando un laser ibrido fibra-cristallo. Le lenti stampate all'estremità delle fibre focalizzano e raccolgono, o accoppiano, la luce dentro e fuori dal cristallo laser.
Hanno poi incollato le fibre in un supporto per rendere il sistema laser più stabile e meno suscettibile alle turbolenze dell’aria. Il cristallo e le lenti stampate misuravano appena 5 X 5 cm 2 .
Registrando continuamente la potenza del laser per diverse ore si è verificato che l'ottica stampata all'interno del sistema non si deteriorasse né influenzasse le proprietà a lungo termine del laser. Inoltre, le immagini al microscopio elettronico a scansione dell'ottica dopo l'uso nella cavità laser non hanno mostrato alcun danno visibile. "È interessante notare che abbiamo scoperto che le ottiche stampate erano più stabili del reticolo di Bragg in fibra commerciale che abbiamo utilizzato, il che ha finito per limitare la nostra potenza massima", ha affermato Angstenberger.
I ricercatori stanno ora lavorando per ottimizzare l’efficienza dell’ottica stampata. Fibre più grandi con design ottimizzato di lenti asferiche e a forma libera o una combinazione di lenti stampate direttamente sulla fibra potrebbero contribuire a migliorare la potenza di uscita. Vorrebbero anche mostrare diversi cristalli nel laser, che potrebbero consentire di personalizzare l'output per applicazioni specifiche.
Ulteriori informazioni: Simon Angstenberger et al, Laser ibrido fibra-stato solido con lenti intracavità stampate in 3D, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940
Informazioni sul giornale: Lettere di ottica
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