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、紧凑和稳定的激光源成为可能，可用于多种应用，包括用于自动驾驶汽车的激光雷达系统。
“我们通过使用 3D 打印直接在激光器内部使用的玻璃纤维上制造高质量的微光学器件，显着减小了激光器的尺寸，”。 “这是此类 3D 打印光学器件首次在现实世界的激光器中实现，凸显了它们的高损伤阈值和稳定性。”
在 Optica Publishing Group 期刊Optics Letters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，从而以紧凑的方式将光纤和激光晶体组合在单个激光振荡器内。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。
“到目前为止，3D 打印光学器件主要用于内窥镜等低功率应用，”Angstenberger 说。 “例如，将它们用于高功率应用的能力对于光刻和激光打标可能很有用。我们证明，这些打印在纤维上的 3D 微光学器件可用于将大量光聚焦到一个点，这对于精确破坏癌组织等医疗应用可能很有用。”
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敏感光刻胶中。在激光的聚焦区域，两个红外光子将被同时吸收，从而使紫外线抗蚀剂变硬。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。
“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，”Angstenberger 说。 “我们发现它们非常稳定，即使在运行激光几个小时后，我们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。这涉及到使用商业软件设计光学元件，将光纤插入 3D 打印机，然后在光纤末端打印小型结构。在打印与纤维的对齐以及打印本身的准确性方面，该过程必须极其精确。
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。他们没有在由笨重且昂贵的镜子制成的激光腔内使用晶体，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。打印在光纤末端的透镜聚焦并收集(或耦合)进出激光晶体的光。然后，他们将光纤粘合到支架上，以使激光系统更加稳定并且不易受到空气湍流的影响。水晶和印刷镜片的尺寸仅为 5 X 5 厘米2。
在几个小时内连续记录激光功率，验证了系统内的印刷光学器件不会恶化或影响激光器的长期性能。此外，在激光腔中使用后光学器件的扫描电子显微镜图像没有显示任何可见的损坏。 “有趣的是，我们发现印刷光学器件比我们使用的商用光纤布拉格光栅更稳定，这最终限制了我们的最大功率，”Angstenberger 说。
研究人员现在正在努力优化印刷光学器件的效率。具有优化的自由曲面和非球面透镜设计的较大光纤或直接印刷到光纤上的透镜组合有助于提高输出功率。他们还想展示激光器中的不同晶体，这可以允许针对特定应用定制输出。
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