Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que microópticas baseadas em polímeros impressas em 3D podem suportar os níveis de calor e potência que ocorrem dentro de um laser. O avanço permite fontes de laser baratas, compactas e estáveis ​​que seriam úteis em uma variedade de aplicações, incluindo os sistemas lidar usados ​​para veículos autônomos.



"Reduzimos significativamente o tamanho de um laser ao usar a impressão 3D para fabricar micro-óticas de alta qualidade diretamente nas fibras de vidro usadas dentro dos lasers", disse o líder da equipe de pesquisa Simon Angstenberger, do 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart, na Alemanha. "Esta é a primeira implementação de tal óptica impressa em 3D em um laser do mundo real, destacando seu alto limite de dano e estabilidade."

Na revista Optics Letters , os pesquisadores descrevem como imprimiram ópticas em microescala em 3D diretamente em fibras ópticas para combinar fibras e cristais de laser dentro de um único oscilador de laser de forma compacta. O laser híbrido resultante exibiu operação estável em potências de saída superiores a 20 mW a 1063,4 nm e teve uma potência de saída máxima de 37 mW.

O novo laser combina a compacidade, robustez e baixo custo dos lasers baseados em fibra com as vantagens dos lasers de estado sólido baseados em cristal, que podem ter uma ampla gama de propriedades, como diferentes potências e cores.

“Até agora, a óptica impressa em 3D tem sido usada principalmente para aplicações de baixa potência, como endoscopia”, disse Angstenberger. "A capacidade de usá-los com aplicações de alta potência pode ser útil para litografia e marcação a laser, por exemplo. Mostramos que essas microóticas 3D impressas em fibras podem ser usadas para focar grandes quantidades de luz em um único ponto, o que poderia ser útil para aplicações médicas, como a destruição precisa de tecido canceroso."

Aguentando o calor

O 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart tem uma longa história de desenvolvimento de microópticas impressas em 3D, especialmente a capacidade de imprimi-las diretamente em fibras. Eles usam uma abordagem de impressão 3D conhecida como polimerização de dois fótons, que foca um laser infravermelho em um fotorresiste sensível a UV.

Na região focal do laser, dois fótons infravermelhos serão absorvidos simultaneamente, o que endurece a resistência UV. Mover o foco permite que várias formas sejam criadas com alta precisão. O uso deste método pode ser usado para criar ópticas miniaturizadas e também permite novas funcionalidades, como a criação de ópticas de forma livre ou sistemas de lentes complexos.

“Como esses elementos impressos em 3D são feitos de polímeros, não estava claro se eles poderiam suportar a quantidade significativa de carga térmica e potência óptica que ocorre dentro de uma cavidade de laser”, disse Angstenberger. “Descobrimos que eles são surpreendentemente estáveis ​​e não conseguimos observar nenhum tipo de dano nas lentes, mesmo depois de várias horas de uso do laser”.

Para o novo estudo, os pesquisadores usaram uma impressora 3D da Nanoscribe para fabricar lentes com diâmetro de 0,25 mm e altura de 80 mícrons na extremidade de uma fibra de mesmo diâmetro por meio de polimerização de dois fótons.

Isso envolveu projetar um elemento óptico com software comercial, inserir a fibra na impressora 3D e depois imprimir a pequena estrutura na extremidade da fibra. Este processo deve ser extremamente preciso em termos de alinhamento da impressão com a fibra e da precisão da impressão em si.

Criando um laser híbrido

Após a conclusão da impressão, os pesquisadores montaram o laser e a cavidade do laser. Em vez de usar um cristal dentro de uma cavidade de laser feita de espelhos volumosos e caros, eles usaram fibras para formar parte da cavidade, criando um laser híbrido de fibra-cristal. As lentes impressas na extremidade das fibras focam e coletam – ou acoplam – a luz para dentro e para fora do cristal do laser.

Eles então colaram as fibras em um suporte para tornar o sistema de laser mais estável e menos suscetível à turbulência do ar. O cristal e as lentes impressas mediam apenas 5 x 5 cm ² .

O registro contínuo da potência do laser durante várias horas verificou que a óptica impressa dentro do sistema não se deteriorou nem afetou as propriedades do laser a longo prazo. Além disso, as imagens de microscopia eletrônica de varredura da óptica após o uso na cavidade do laser não mostraram nenhum dano visível. “Curiosamente, descobrimos que a óptica impressa era mais estável do que a rede de Bragg de fibra comercial que usávamos, o que acabou limitando a nossa potência máxima”, disse Angstenberger.

Os pesquisadores estão agora trabalhando para otimizar a eficiência da óptica impressa. Fibras maiores com designs de lentes asféricas e de formato livre otimizados ou uma combinação de lentes impressas diretamente na fibra podem ajudar a melhorar a potência de saída. Eles também gostariam de demonstrar diferentes cristais no laser, o que poderia permitir que a saída fosse personalizada para aplicações específicas.

Mais informações: Simon Angstenberger et al, Laser híbrido de fibra-estado sólido com lentes intracavitárias impressas em 3D, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940
Informações do diário: Cartas Ópticas

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