Des chercheurs créent un laser hybride stable en imprimant en 3D des micro-optiques sur des fibres

  • Des chercheurs ont réussi à créer un laser hybride en imprimant en 3D des micro-optiques sur des fibres optiques, ce qui permet d'obtenir des lasers peu coûteux, compacts et stables.
  • Les micro-optiques imprimées en 3D ont montré une grande stabilité face à la chaleur et à la puissance élevée à l'intérieur du laser.
  • Cette technologie pourrait avoir de nombreuses applications, notamment dans les systèmes lidar pour les véhicules autonomes et dans la destruction précise des tissus cancéreux.

Pour la première fois, des chercheurs ont montré que les micro-optiques à foundation de polymères imprimées en 3D peuvent résister aux niveaux de chaleur et de puissance qui se produisent à l’intérieur d’un laser. Cette avancée permet d’obtenir des resources laser peu coûteuses, compactes et stables, qui seraient utiles dans diverses programs, notamment les systèmes lidar utilisés pour les véhicules autonomes.

“Nous avons considérablement réduit la taille d’un laser en utilisant l’impression 3D pour fabriquer des micro-optiques de haute qualité directement sur les fibres de verre utilisées à l’intérieur des lasers”, a déclaré Simon Angstenberger, chef de l’équipe de recherche du 4ème Institut de physique de l’Université de Stuttgart en Allemagne. “Il s’agit de la première mise en œuvre de telles optiques imprimées en 3D dans un laser réel, mettant en évidence leur seuil de dommage élevé et leur stabilité.”

Dans la revue Optics Letters de l’Optica Publishing Team, les chercheurs décrivent comment ils ont imprimé en 3D des optiques à micro-échelle directement sur des fibres optiques pour combiner les fibres et les cristaux laser à l’intérieur d’un seul oscillateur laser de manière compacte. Le laser hybride résultant présentait un fonctionnement steady à des puissances de sortie supérieures à 20 mW à 1 063,4 nm et une puissance de sortie maximale de 37 mW.

Le nouveau laser incorporate la compacité, la robustesse et le faible coût des lasers à fibre avec les avantages des lasers à solide à foundation de cristaux, qui peuvent avoir une big gamme de propriétés telles que différentes puissances et couleurs.

“Jusqu’à présent, les optiques imprimées en 3D étaient principalement utilisées pour des programs à faible consommation telles que l’endoscopie”, a déclaré Angstenberger. “La possibilité de les utiliser avec des apps à haute puissance pourrait être utile pour la lithographie et le marquage laser, par exemple. Nous avons montré que ces micro-optiques 3D imprimées sur des fibres peuvent être utilisées pour concentrer de grandes quantités de lumière vers un seul position, ce qui pourrait être utile pour des applications médicales telles que la destruction précise des tissus cancéreux.

Prendre la chaleur

Le 4e Institut de physique de l’Université de Stuttgart développe depuis longtemps des micro-optiques imprimées en 3D, en particulier la possibilité de les imprimer directement sur des fibres. Ils utilisent une approche d’impression 3D connue sous le nom de polymérisation à deux photons, qui concentre un laser infrarouge dans une résine photosensible smart aux UV. Dans la région focale du laser, deux photons infrarouges seront absorbés simultanément, ce qui durcira la résistance UV. Déplacer la mise au place permet de créer diverses formes avec une grande précision. Cette méthode peut être utilisée pour créer des optiques miniaturisées et permet également de nouvelles fonctionnalités telles que la création d’optiques de forme libre ou de systèmes de lentilles complexes.

“Étant donné que ces éléments imprimés en 3D sont constitués de polymères, il n’était pas clair s’ils pouvaient résister à la demand thermique et à la puissance optique importantes qui se produisent à l’intérieur d’une cavité laser”, a déclaré Angstenberger. “Nous avons constaté qu’ils sont étonnamment stables et nous n’avons pu observer aucun dommage sur les lentilles, même après plusieurs heures d’utilisation du laser.”

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D fabriquée par Nanoscribe pour fabriquer des lentilles d’un diamètre de, 25 mm et d’une hauteur de 80 microns à l’extrémité d’une fibre du même diamètre par polymérisation à deux photons. Cela impliquait de concevoir un élément optique avec un logiciel commercial, d’insérer la fibre dans l’imprimante 3D, puis d’imprimer la petite structure à l’extrémité de la fibre. Ce processus doit être extrêmement précis en termes d’alignement de l’impression sur la fibre et de précision de l’impression elle-même.

Création d’un laser hybride

Une fois l’impression terminée, les chercheurs ont assemblé le laser et la cavité laser. Plutôt que d’utiliser un cristal à l’intérieur d’une cavité laser constituée de miroirs volumineux et coûteux, ils ont utilisé des fibres pour faire partie de la cavité, créant ainsi un laser hybride fibre-cristal. Les lentilles imprimées à l’extrémité des fibres focalisent et collectent – ​​ou couplent – ​​la lumière dans et hors du cristal laser. Ils ont ensuite collé les fibres dans un assist pour rendre le système laser additionally stable et moins sensible aux turbulences de l’air. Le cristal et les lentilles imprimées ne mesuraient que 5 X 5 cm2.

L’enregistrement continu de la puissance du laser pendant plusieurs heures a permis de vérifier que les optiques imprimées à l’intérieur du système ne se détérioraient pas et n’affectaient pas les propriétés à lengthy terme du laser. De plus, les photos au microscope électronique à balayage de l’optique après utilisation dans la cavité laser n’ont montré aucun dommage obvious. “Fait intéressant, nous avons constaté que les optiques imprimées étaient furthermore stables que le réseau de Bragg à fibre business que nous avons utilisé, ce qui a fini par limiter notre puissance maximale”, a déclaré Angstenberger.

Les chercheurs travaillent désormais à optimiser l’efficacité de l’optique imprimée. Des fibres furthermore grandes avec des conceptions de lentilles asphériques et de forme libre optimisées ou une combinaison de lentilles imprimées directement sur la fibre pourraient contribuer à améliorer la puissance de sortie. Ils aimeraient également présenter différents cristaux dans le laser, ce qui pourrait permettre de personnaliser la sortie pour des applications spécifiques.