Nos últimos anos, a tecnologia de impressão 3D tem sido cada vez mais utilizada em uma variedade de indústrias, especialmente na fabricação de precisão e na óptica. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, fez recentemente umGrande avançoquando demonstraram pela primeira vez que ópticas em miniatura baseadas em polímeros impressos em 3D são capazes de suportar o calor e a energia gerados dentro de um laser. Esta descoberta abre caminho para a fabricação de fontes de laser baratas, compactas e estáveis que são extremamente importantes em uma variedade de cenários de aplicação, especialmente em sistemas LIDAR usados em carros autônomos.
Simon Angstenberger, chefe da equipe de pesquisa do Instituto de Física IV da Universidade de Stuttgart, disse: “Usando a tecnologia de impressão 3D, criamos microópticas de alta qualidade diretamente nas fibras de vidro dentro do laser, reduzindo significativamente seu tamanho . Esta é a primeira vez que essas ópticas impressas em 3D foram usadas em um laser real, demonstrando totalmente seu alto limite de tolerância a danos e estabilidade."
Na revista Optics Letters, a equipe descreve em detalhes como imprimiu em 3D a microóptica diretamente na fibra óptica, combinando assim a fibra com o cristal do laser em um único oscilador de laser. O laser híbrido foi capaz de operar de forma estável em 1.063,4 nm com uma potência de saída superior a 20 mW e uma potência máxima de saída de 37 mW.
O novo laser combina as vantagens compactas, robustas e de baixo custo dos lasers de fibra com os benefícios dos lasers de estado sólido baseados em cristal, que possuem uma ampla gama de características de desempenho, como diferentes potências e cores. O projeto do laser acoplado a fibra usando uma lente impressa em 3D é mostrado na Fig.
Simon Angstenberger observa: "Até agora, a óptica impressa em 3D tem sido usada principalmente em cenários de baixa potência, como endoscopia. No entanto, demonstramos o potencial dessas tecnologias para aplicações de alta potência, como fotolitografia e marcação a laser. Mostramos que essas microóticas 3D impressas diretamente em fibras ópticas podem concentrar grandes quantidades de luz em um único ponto, o que é de grande valor em aplicações médicas, como a destruição precisa de células cancerígenas."
Fazendo lentes em microescala diretamente em fibras ópticas
O Instituto de Física IV da Universidade de Stuttgart possui ampla experiência em pesquisa na área de microóptica impressa em 3D, com especialização particular em impressão direta em fibras ópticas. Eles usam um método de impressão 3D chamado “polimerização de dois fótons”, no qual um laser infravermelho é focado em um fotorresiste sensível a UV.
Na área focal do laser, dois fótons infravermelhos são absorvidos ao mesmo tempo, o que aumenta a resistência aos raios UV. Ao mover o ponto focal, múltiplas formas podem ser criadas com alta precisão. Esta tecnologia não só permite a fabricação de ópticas em miniatura, mas também novas funções, como a criação de elementos ópticos de forma livre ou sistemas de lentes complexos.
Esses componentes impressos em 3D são feitos de polímeros e não tínhamos certeza se seriam capazes de suportar as grandes quantidades de calor e energia óptica geradas na cavidade do laser", diz Simon Angstenberger. No entanto, descobriu-se mais tarde que nenhum dano foi observado. nas lentes mesmo depois de operar o laser por um longo período de tempo durante várias horas, o que comprova sua estabilidade extremamente alta."
Neste último estudo, os pesquisadores usaram uma impressora 3D fabricada pela Nanoscribe para fabricar lentes com diâmetro de 0,25 mm e altura de 80 μm na extremidade de fibras ópticas de mesmo diâmetro por meio de dois polimerização de fótons (Fig. 2). O processo envolve projetar a ótica, inserir a fibra na impressora 3D e depois imprimir com precisão a microestrutura na extremidade da fibra, o que exige um alto grau de precisão no alinhamento das fibras impressas e na própria impressão.
Criando o Laser Híbrido
Após a conclusão da impressão 3D, a equipe começou a montar o laser e a cavidade do laser. Ao contrário das cavidades de laser tradicionais que usam espelhos volumosos e caros, elas usaram fibras para formar parte da cavidade, criando um laser híbrido de fibra-cristal exclusivo. Neste projeto, lentes em miniatura impressas na extremidade da fibra são utilizadas para focar e coletar ou acoplar a luz emitida e recebida pelo cristal do laser. Para melhorar a estabilidade do sistema e reduzir os efeitos da turbulência do ar, os pesquisadores prenderam a fibra a um suporte. Notavelmente, o cristal e a lente impressa possuem um tamanho muito compacto de 5 × 5 cm².
Ao registrar continuamente a potência do laser por várias horas, os pesquisadores verificaram que não houve degradação no desempenho da óptica impressa em 3D no sistema e que isso não afetou a eficácia operacional do laser a longo prazo. Além disso, a observação da óptica na cavidade do laser utilizando um microscópio eletrônico de varredura não revelou danos visíveis. Simon Angstenberger observou: “Descobrimos que a óptica impressa era mais estável em comparação com a rede de Bragg de fibra comercial que usamos, o que acabou limitando nossa potência máxima”.
A equipe de pesquisa está atualmente trabalhando para otimizar a eficiência da óptica impressa em 3D. Eles planejam usar fibras ópticas maiores com lentes de formato livre otimizadas e designs de lentes asféricas ou tentar imprimir combinações de lentes diretamente na fibra para aumentar a potência de saída. Ao mesmo tempo, planejam usar diferentes tipos de cristais nos lasers, o que permitirá customização e otimização das características de saída para aplicações específicas.
