การฝ่าฟันอุปสรรค! ออพติคที่พิมพ์แบบ 3 มิติบนไฟเบอร์เพื่อสร้างเลเซอร์ไฮบริด

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติถูกนำมาใช้มากขึ้นในอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตที่มีความแม่นยำและออพติก ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ทในประเทศเยอรมนี ได้ทำการความก้าวหน้าครั้งสำคัญเมื่อพวกเขาแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าเลนส์ขนาดเล็กที่ใช้โพลีเมอร์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติสามารถทนต่อความร้อนและพลังงานที่สร้างขึ้นภายในเลเซอร์ได้ การค้นพบนี้ปูทางไปสู่การผลิตแหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่มีราคาไม่แพง กะทัดรัด และมีเสถียรภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบ LIDAR ที่ใช้ในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง

Simon Angstenberger หัวหน้าทีมวิจัยของสถาบันฟิสิกส์ที่ 4 แห่งมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ทกล่าวว่า "ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เราได้สร้างไมโครออปติกคุณภาพสูงโดยตรงบนเส้นใยแก้วภายในเลเซอร์ ซึ่งช่วยลดขนาดของเลเซอร์ได้อย่างมาก นี่เป็นครั้งแรกที่มีการใช้ออพติคที่พิมพ์แบบ 3 มิติในเลเซอร์จริง ซึ่งแสดงให้เห็นขีด จำกัด และความเสถียรที่ทนทานต่อความเสียหายสูงได้อย่างเต็มที่"

ในวารสาร Optics Letters ทีมงานได้อธิบายรายละเอียดว่าพวกเขาพิมพ์ไมโครออปติกแบบสามมิติโดยตรงบนไฟเบอร์ออปติกได้อย่างไร ดังนั้นจึงรวมไฟเบอร์เข้ากับคริสตัลเลเซอร์ในเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์ตัวเดียวอย่างแน่นหนา เลเซอร์ไฮบริดสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่ 1,063.4 นาโนเมตร โดยมีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 20 mW และกำลังเอาต์พุตสูงสุด 37 mW

เลเซอร์ใหม่ผสมผสานข้อดีของไฟเบอร์เลเซอร์ที่มีขนาดกะทัดรัด ทนทาน และต้นทุนต่ำ เข้ากับข้อดีของเลเซอร์โซลิดสเตตที่ใช้คริสตัล ซึ่งมีลักษณะการทำงานที่หลากหลาย เช่น กำลังและสีที่แตกต่างกัน การออกแบบเลเซอร์คู่ไฟเบอร์โดยใช้เลนส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติแสดงไว้ในรูปที่ 1

Simon Angstenberger ตั้งข้อสังเกตว่า "จนถึงขณะนี้ เลนส์ที่พิมพ์แบบ 3D ถูกใช้เป็นหลักในสถานการณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น การส่องกล้อง อย่างไรก็ตาม เราแสดงให้เห็นศักยภาพของเทคโนโลยีเหล่านี้สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานสูง เช่น สำหรับการพิมพ์หินด้วยแสงและการมาร์กด้วยเลเซอร์ เราแสดง ว่าไมโครออปติก 3 มิติที่พิมพ์โดยตรงบนเส้นใยนำแสงสามารถรวมแสงจำนวนมากไปยังจุดเดียว ซึ่งมีคุณค่าอย่างยิ่งในการใช้งานทางการแพทย์ เช่น การทำลายเซลล์มะเร็งอย่างแม่นยำ"

การสร้างเลนส์ไมโครสเกลโดยตรงบนใยแก้วนำแสง

สถาบันฟิสิกส์ที่ 4 แห่งมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ทมีประสบการณ์การวิจัยอย่างกว้างขวางในสาขาไมโครออปติกที่พิมพ์แบบ 3 มิติ โดยมีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในการพิมพ์โดยตรงบนใยแก้วนำแสง พวกเขาใช้วิธีการพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่า "พอลิเมอไรเซชันสองโฟตอน" ซึ่งเลเซอร์อินฟราเรดจะเน้นไปที่ตัวรับแสงที่ไวต่อรังสียูวี

ในพื้นที่โฟกัสของเลเซอร์ โฟตอนอินฟราเรดสองตัวจะถูกดูดซับในเวลาเดียวกัน ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานรังสียูวี ด้วยการเลื่อนจุดโฟกัส สามารถสร้างรูปร่างได้หลายรูปแบบด้วยความแม่นยำสูง เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้สามารถประดิษฐ์ออปติกขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังรวมถึงฟังก์ชันใหม่ๆ เช่น การสร้างองค์ประกอบออพติคอลรูปแบบอิสระหรือระบบเลนส์ที่ซับซ้อนอีกด้วย

ส่วนประกอบที่พิมพ์แบบ 3 มิติเหล่านี้ทำจากโพลีเมอร์ และเราไม่แน่ใจว่าจะสามารถทนต่อความร้อนจำนวนมากและพลังงานแสงที่เกิดขึ้นในช่องเลเซอร์ได้หรือไม่" Simon Angstenberger กล่าว อย่างไรก็ตาม ภายหลังพบว่าไม่พบความเสียหายใดๆ บนเลนส์แม้หลังจากใช้งานเลเซอร์เป็นเวลานานหลายชั่วโมง ซึ่งพิสูจน์ได้ว่ามีความเสถียรสูงมาก"

ในการศึกษาล่าสุดนี้ นักวิจัยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ผลิตโดย Nanoscribe เพื่อสร้างเลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.25 มม. และความสูง 80 μm ที่ส่วนปลายของเส้นใยนำแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันโดยใช้สอง- โฟตอนพอลิเมอไรเซชัน (รูปที่ 2) กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการออกแบบออพติก การใส่ไฟเบอร์เข้าไปในเครื่องพิมพ์ 3D จากนั้นพิมพ์โครงสร้างจุลภาคที่ส่วนท้ายของไฟเบอร์อย่างแม่นยำ ซึ่งต้องใช้ความแม่นยำในระดับสูงในการจัดแนวของเส้นใยที่พิมพ์และในตัวการพิมพ์เอง

การสร้างไฮบริดเลเซอร์

หลังจากการพิมพ์ 3D เสร็จสิ้น ทีมงานก็เริ่มประกอบเลเซอร์และช่องเลเซอร์ ต่างจากช่องเลเซอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้กระจกขนาดใหญ่และมีราคาแพง พวกเขาใช้เส้นใยเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของช่อง ทำให้เกิดเลเซอร์ไฟเบอร์คริสตัลแบบไฮบริดที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ในการออกแบบนี้ เลนส์ขนาดเล็กที่พิมพ์ไว้ที่ส่วนท้ายของไฟเบอร์จะถูกใช้เพื่อโฟกัสและรวบรวมหรือจับคู่แสงที่ปล่อยออกมาและรับโดยคริสตัลเลเซอร์ เพื่อปรับปรุงความเสถียรของระบบและลดผลกระทบจากความปั่นป่วนของอากาศ นักวิจัยได้ยึดไฟเบอร์ไว้กับที่ยึด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คริสตัลและเลนส์ที่พิมพ์ออกมามีขนาดกะทัดรัดมากเพียง 5 × 5 ซม.²

ด้วยการบันทึกกำลังส่งออกของเลเซอร์อย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายชั่วโมง นักวิจัยจึงตรวจสอบได้ว่าประสิทธิภาพของออพติคที่พิมพ์แบบ 3 มิติในระบบไม่มีการลดลง และไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการดำเนินงานในระยะยาวของเลเซอร์ นอกจากนี้ การสังเกตเลนส์ในช่องเลเซอร์โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดพบว่าไม่มีความเสียหายที่มองเห็นได้ Simon Angstenberger ตั้งข้อสังเกตว่า "เราพบว่าเลนส์ที่พิมพ์มีความเสถียรมากกว่าเมื่อเทียบกับตะแกรงไฟเบอร์ Bragg เชิงพาณิชย์ที่เราใช้ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจำกัดกำลังสูงสุดของเรา"

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเลนส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ พวกเขาวางแผนที่จะใช้เส้นใยนำแสงที่มีขนาดใหญ่กว่าพร้อมเลนส์ฟรีฟอร์มและการออกแบบเลนส์แก้ความคลาดทรงกลมที่ได้รับการปรับปรุง หรือพยายามพิมพ์การผสมเลนส์โดยตรงบนเส้นใยเพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุต ในเวลาเดียวกัน พวกเขาวางแผนที่จะใช้คริสตัลประเภทต่างๆ ในเลเซอร์ ซึ่งจะช่วยให้สามารถปรับแต่งและเพิ่มประสิทธิภาพลักษณะเอาต์พุตสำหรับการใช้งานเฉพาะได้