Negli ultimi anni, la tecnologia di stampa 3D è stata sempre più utilizzata in una varietà di settori, in particolare nella produzione di precisione e nell’ottica. Un team di ricercatori dell’Università di Stoccarda in Germania ha recentemente realizzato unimportante svoltaquando hanno dimostrato per la prima volta che le ottiche miniaturizzate basate su polimeri stampati in 3D sono in grado di resistere al calore e alla potenza generati all’interno di un laser. Questa scoperta apre la strada alla fabbricazione di sorgenti laser economiche, compatte e stabili che sono estremamente importanti in una varietà di scenari applicativi, in particolare nei sistemi LIDAR utilizzati nelle auto a guida autonoma.
Simon Angstenberger, capo del gruppo di ricerca presso l’Istituto di fisica IV dell’Università di Stoccarda, ha dichiarato: “Utilizzando la tecnologia di stampa 3D, abbiamo creato micro-ottiche di alta qualità direttamente sulle fibre di vetro all’interno del laser, riducendone significativamente le dimensioni. Questa è la prima volta che tali ottiche stampate in 3D vengono utilizzate in un laser reale, dimostrando pienamente la loro elevata soglia di tolleranza ai danni e la loro stabilità."
Nella rivista Optics Letters, il team descrive in dettaglio come hanno stampato in 3D la microottica direttamente sulla fibra ottica, combinando così strettamente la fibra con il cristallo laser in un unico oscillatore laser. Il laser ibrido è stato in grado di funzionare stabilmente a 1063,4 nm con una potenza di uscita di oltre 20 mW e una potenza di uscita massima di 37 mW.
Il nuovo laser combina la compattezza, la robustezza e i vantaggi a basso costo dei laser a fibra con i vantaggi dei laser a stato solido basati su cristalli, che hanno un’ampia gamma di caratteristiche prestazionali come diverse potenze e colori. Il design del laser accoppiato a fibra che utilizza una lente stampata in 3D è mostrato in Fig. 1.
Simon Angstenberger osserva: “Finora, le ottiche stampate in 3D sono state utilizzate principalmente in scenari a bassa potenza, come l’endoscopia. Tuttavia, dimostriamo il potenziale di queste tecnologie per applicazioni ad alta potenza, come la fotolitografia e la marcatura laser. Mostriamo che queste micro-ottiche 3D stampate direttamente su fibre ottiche possono concentrare grandi quantità di luce in un unico punto, il che è di grande valore nelle applicazioni in medicina, come la distruzione precisa delle cellule tumorali."
Realizzazione di lenti in microscala direttamente su fibre ottiche
L’Istituto di Fisica IV dell’Università di Stoccarda ha una vasta esperienza di ricerca nel campo della microottica stampata in 3D, con particolare competenza nella stampa diretta su fibre ottiche. Usano un metodo di stampa 3D chiamato “polimerizzazione a due fotoni”, in cui un laser a infrarossi viene focalizzato su un fotoresist sensibile ai raggi UV.
Nella zona focale del laser vengono assorbiti contemporaneamente due fotoni infrarossi, il che aumenta la resistenza ai raggi UV. Spostando il punto focale è possibile creare più forme con elevata precisione. Questa tecnologia consente non solo la fabbricazione di ottiche miniaturizzate ma anche nuove funzioni come la creazione di elementi ottici a forma libera o sistemi di lenti complessi.
Questi componenti stampati in 3D sono fatti di polimeri e non eravamo sicuri che sarebbero stati in grado di resistere alle grandi quantità di calore e potenza ottica generati nella cavità laser", afferma Simon Angstenberger. Tuttavia, in seguito si è scoperto che non è stato osservato alcun danno sulle lenti anche dopo aver utilizzato il laser per un lungo periodo di tempo per diverse ore, il che dimostra la loro stabilità estremamente elevata."
In questo ultimo studio, i ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D prodotta da Nanoscribe per fabbricare lenti con un diametro di 0,25 mm e un'altezza di 80 μm all'estremità di fibre ottiche dello stesso diametro mediante due- polimerizzazione fotonica (Fig. 2). Il processo prevede la progettazione dell’ottica, l’inserimento della fibra nella stampante 3D e quindi la stampa precisa della microstruttura all’estremità della fibra, il che richiede un elevato grado di precisione nell’allineamento delle fibre stampate e nella stampa stessa.
Creazione del laser ibrido
Una volta completata la stampa 3D, il team ha iniziato ad assemblare il laser e la cavità laser. A differenza delle cavità laser tradizionali che utilizzano specchi ingombranti e costosi, hanno utilizzato le fibre per formare parte della cavità, creando un laser ibrido fibra-cristallo unico. In questo progetto, lenti in miniatura stampate all'estremità della fibra vengono utilizzate per focalizzare e raccogliere o accoppiare la luce emessa e ricevuta dal cristallo laser. Per migliorare la stabilità del sistema e ridurre gli effetti delle turbolenze dell'aria, i ricercatori hanno fissato la fibra a un supporto. In particolare, il cristallo e la lente stampata hanno una dimensione molto compatta di 5×5 cm².
Registrando continuamente la potenza del laser per diverse ore, i ricercatori hanno verificato che non vi era alcun degrado nelle prestazioni delle ottiche stampate in 3D nel sistema e che ciò non influiva sull’efficacia operativa a lungo termine del laser. Inoltre, l'osservazione dell'ottica nella cavità laser mediante un microscopio elettronico a scansione non ha rivelato danni visibili. Simon Angstenberger ha osservato: "Abbiamo scoperto che le ottiche stampate erano più stabili rispetto al reticolo di Bragg in fibra commerciale che abbiamo utilizzato, il che alla fine ha limitato la nostra potenza massima. "
Il gruppo di ricerca sta attualmente lavorando per ottimizzare l’efficienza delle ottiche stampate in 3D. Prevedono di utilizzare fibre ottiche più grandi con lenti a forma libera ottimizzate e design di lenti asferiche oppure provano a stampare combinazioni di lenti direttamente sulla fibra per aumentare la potenza di uscita. Allo stesso tempo, prevedono di utilizzare diversi tipi di cristalli nei laser, che consentiranno la personalizzazione e l'ottimizzazione delle caratteristiche di output per applicazioni specifiche.
