近年、3D プリンティング技術はさまざまな業界、特に精密製造や光学分野でますます使用されています。 ドイツのシュトゥットガルト大学の研究者チームは最近、大きな進歩彼らは、3D プリントされたポリマーをベースにした小型光学部品が、レーザー内で生成される熱と電力に耐えることができることを初めて実証しました。 この発見は、さまざまな応用シナリオ、特に自動運転車で使用される LIDAR システムにおいて非常に重要な、安価でコンパクトで安定したレーザー光源の製造への道を開きます。
シュツットガルト大学物理学研究所 IV の研究チーム長、サイモン・アングステンバーガー氏は、「3D プリンティング技術を使用して、レーザー内のガラスファイバー上に高品質のマイクロ光学素子を直接作成し、サイズを大幅に縮小しました」と述べた。このような 3D プリント光学系が実際のレーザーに使用されたのはこれが初めてであり、その高い損傷許容閾値と安定性が十分に実証されています。」
研究チームはジャーナル「Optics Letters」で、マイクロ光学素子を光ファイバー上に直接 3D プリントし、単一のレーザー発振器内でファイバーとレーザー結晶を緊密に結合する方法を詳細に説明しています。 ハイブリッド レーザーは、1063.4 nm で 20 mW 以上の出力と 37 mW の最大出力で安定して動作することができました。
新しいレーザーは、ファイバーレーザーのコンパクトさ、堅牢性、低コストの利点と、さまざまな出力や色などの幅広い性能特性を持つ結晶ベースの固体レーザーの利点を組み合わせています。 3D プリントレンズを使用したファイバー結合レーザーの設計を図 1 に示します。
Simon Angstenberger 氏は、「これまで 3D プリント光学系は主に内視鏡検査などの低出力シナリオで使用されてきました。しかし、私たちはフォトリソグラフィーやレーザーマーキングなどの高出力アプリケーションに対するこれらの技術の可能性を実証しています。光ファイバー上に直接印刷されたこれらの 3D マイクロ光学素子は、大量の光を 1 点に集中させることができ、これは癌細胞の正確な破壊などの医療用途において非常に価値があります。」
光ファイバー上にマイクロスケールレンズを直接作製
シュトゥットガルト大学の物理研究所 IV は、3D プリントされたマイクロ光学の分野で広範な研究経験があり、特に光ファイバーへの直接プリントの専門知識を備えています。 彼らは「二光子重合」と呼ばれる 3D 印刷法を使用しており、赤外線レーザーを UV 感受性フォトレジストに集中させます。
レーザーの焦点領域では、2 つの赤外線光子が同時に吸収され、UV 耐性が強化されます。 焦点を移動させることで、複数の形状を高精度に作成できます。 この技術により、小型光学部品の製造が可能になるだけでなく、自由曲面光学素子や複雑なレンズシステムの作成などの新しい機能も可能になります。
これらの 3D プリントされたコンポーネントはポリマーでできており、レーザーキャビティで生成される大量の熱と光出力に耐えられるかどうかはわかりませんでした」と Simon Angstenberger 氏は述べています。しかし、後に損傷は観察されなかったことが判明しました。数時間の長時間レーザーを照射した後でもレンズに傷がつきにくく、非常に安定性が高いことが証明されました。」
この最新の研究では、研究者らは Nanoscribe 製 3D プリンタを使用して、同じ直径の光ファイバーの端に直径 0.25 mm、高さ 80 μm のレンズを 2 つの方法で製造しました。光子重合（図２）。 このプロセスには、光学部品の設計、ファイバーの 3D プリンターへの挿入、ファイバーの端の微細構造の正確な印刷が含まれます。これには、印刷されたファイバーの位置合わせと印刷自体に高度な精度が必要です。
ハイブリッドレーザーの作成
3D プリンティングが完了した後、チームはレーザーとレーザーキャビティの組み立てに着手しました。 かさばって高価なミラーを使用する従来のレーザーキャビティとは異なり、ファイバーを使用してキャビティの一部を形成し、独自のハイブリッドファイバー結晶レーザーを作成しました。 この設計では、ファイバーの端に印刷された小型レンズを使用して、レーザー結晶が発光および受信した光を集束させ、収集または結合します。 システムの安定性を向上させ、乱気流の影響を軽減するために、研究者らはファイバーをホルダーに固定しました。 特に、クリスタルとプリントレンズのサイズは 5 × 5 cm² と非常にコンパクトです。
研究者らは、レーザーの出力を数時間継続的に記録することで、システム内の 3D プリント光学系の性能に低下がなく、レーザーの長期的な動作効率に影響を与えないことを確認しました。 さらに、走査型電子顕微鏡を使用してレーザーキャビティ内の光学系を観察したところ、目に見える損傷は見られませんでした。 Simon Angstenberger 氏は、「印刷された光学素子は、私たちが使用した市販のファイバー ブラッグ グレーティングと比較してより安定していることがわかり、最終的には最大出力が制限されてしまいました。」と述べています。
研究チームは現在、3D プリントされた光学部品の効率を最適化するために取り組んでいます。 彼らは、最適化された自由曲面レンズと非球面レンズ設計を備えたより大きな光ファイバーを使用するか、または出力パワーを高めるためにレンズの組み合わせをファイバー上に直接印刷しようと計画しています。 同時に、レーザーにさまざまな種類の結晶を使用することを計画しており、これにより特定の用途に合わせた出力特性のカスタマイズと最適化が可能になります。
