En los últimos años, la tecnología de impresión 3D se ha utilizado cada vez más en una variedad de industrias, especialmente en la fabricación de precisión y la óptica. Un equipo de investigadores de la Universidad de Stuttgart en Alemania realizó recientemente unavance importantecuando demostraron por primera vez que las ópticas en miniatura basadas en polímeros impresos en 3D son capaces de resistir el calor y la energía generados dentro de un láser. Este descubrimiento allana el camino para la fabricación de fuentes láser económicas, compactas y estables que son extremadamente importantes en una variedad de escenarios de aplicación, especialmente en sistemas LIDAR utilizados en vehículos autónomos.
Simon Angstenberger, jefe del equipo de investigación del Instituto de Física IV de la Universidad de Stuttgart, afirma: "Utilizando la tecnología de impresión 3D, hemos creado microópticas de alta calidad directamente sobre las fibras de vidrio dentro del láser, reduciendo significativamente su tamaño "Esta es la primera vez que este tipo de óptica impresa en 3D se utiliza en un láser real, demostrando plenamente su alto umbral de tolerancia al daño y su estabilidad".
En la revista Optics Letters, el equipo describe en detalle cómo imprimieron en 3D la microóptica directamente sobre la fibra óptica, combinando así estrechamente la fibra con el cristal láser en un solo oscilador láser. El láser híbrido pudo funcionar de manera estable a 1063,4 nm con una potencia de salida de más de 20 mW y una potencia de salida máxima de 37 mW.
El nuevo láser combina las ventajas de compacidad, robustez y bajo costo de los láseres de fibra con los beneficios de los láseres de estado sólido basados en cristal, que tienen una amplia gama de características de rendimiento, como diferentes potencias y colores. El diseño del láser de fibra acoplada utilizando una lente impresa en 3D se muestra en la Fig. 1.
Simon Angstenberger señala: "Hasta ahora, la óptica impresa en 3D se ha utilizado principalmente en escenarios de baja potencia, como la endoscopia. Sin embargo, demostramos el potencial de estas tecnologías para aplicaciones de alta potencia, como la fotolitografía y el marcado láser. que estas microópticas 3D impresas directamente sobre fibras ópticas pueden concentrar grandes cantidades de luz en un solo punto, lo que es de gran valor en aplicaciones en medicina, como la destrucción precisa de células cancerosas".
Fabricación de lentes a microescala directamente sobre fibras ópticas
El Instituto de Física IV de la Universidad de Stuttgart tiene una amplia experiencia en investigación en el campo de la microóptica impresa en 3D, con especial experiencia en la impresión directa sobre fibras ópticas. Utilizan un método de impresión 3D llamado "polimerización de dos fotones", en el que un láser infrarrojo se enfoca en un fotorresistente sensible a los rayos UV.
En la zona focal del láser se absorben dos fotones infrarrojos al mismo tiempo, lo que aumenta la resistencia a los rayos UV. Al mover el punto focal, se pueden crear múltiples formas con alta precisión. Esta tecnología no sólo permite la fabricación de ópticas en miniatura, sino también nuevas funciones como la creación de elementos ópticos de forma libre o sistemas de lentes complejos.
Estos componentes impresos en 3D están hechos de polímeros y no estábamos seguros de si serían capaces de resistir las grandes cantidades de calor y energía óptica generadas en la cavidad del láser", dice Simon Angstenberger. Sin embargo, más tarde se descubrió que no se habían observado daños. en las lentes incluso después de utilizar el láser durante un largo período de tiempo durante varias horas, lo que demuestra su extremadamente alta estabilidad".
En este último estudio, los investigadores utilizaron una impresora 3D fabricada por Nanoscribe para fabricar lentes con un diámetro de 0.25 mm y una altura de 80 μm en el extremo de fibras ópticas del mismo diámetro mediante dos polimerización de fotones (Fig. 2). El proceso implica diseñar la óptica, insertar la fibra en la impresora 3D y luego imprimir con precisión la microestructura al final de la fibra, lo que requiere un alto grado de precisión en la alineación de las fibras impresas y en la impresión misma.
Creando el láser híbrido
Una vez completada la impresión 3D, el equipo se dedicó a ensamblar el láser y la cavidad del láser. A diferencia de las cavidades láser tradicionales que utilizan espejos voluminosos y costosos, utilizaron fibras para formar parte de la cavidad, creando un láser híbrido de fibra y cristal único. En este diseño, se utilizan lentes en miniatura impresas en el extremo de la fibra para enfocar y recoger o acoplar la luz emitida y recibida por el cristal láser. Para mejorar la estabilidad del sistema y reducir los efectos de las turbulencias del aire, los investigadores fijaron la fibra a un soporte. Cabe destacar que el cristal y la lente impresa tienen un tamaño muy compacto de 5 × 5 cm².
Al registrar continuamente la potencia de salida del láser durante varias horas, los investigadores verificaron que no había degradación en el rendimiento de la óptica impresa en 3D en el sistema y que no afectaba la eficacia operativa a largo plazo del láser. Además, la observación de la óptica en la cavidad del láser mediante un microscopio electrónico de barrido no reveló daños visibles. Simon Angstenberger señaló: "Descubrimos que la óptica impresa era más estable en comparación con la rejilla de Bragg de fibra comercial que utilizamos, lo que finalmente limitó nuestra potencia máxima".
El equipo de investigación está trabajando actualmente para optimizar la eficiencia de la óptica impresa en 3D. Planean utilizar fibras ópticas más grandes con lentes de forma libre optimizadas y diseños de lentes asféricos o intentar imprimir combinaciones de lentes directamente en la fibra para aumentar la potencia de salida. Al mismo tiempo, planean utilizar diferentes tipos de cristales en los láseres, lo que permitirá personalizar y optimizar las características de salida para aplicaciones específicas.
