新突破！斯图加特大学开发出用于紧凑型激光器的新型高功率 3D 打印微光学器件

导读：微型 3D 打印技术已经彻底改变了微光学应用，涵盖内窥镜、成像和量子技术等领域。在所有这些应用中，小型化是关键，结合几乎无限的设计空间相结合，微型 3D 打印正在开辟新的应用途径。

2024年1月9日，南极熊获悉，来自斯图加特大学第四物理研究所的研究人员证明了 3D 打印聚合物微光学器件在严苛激光环境中的可行性。在这里，研究人员通过实现第一个具有腔内光纤 3D 打印光学器件的光纤激光系统，突破了小型化和耐用性的极限。

相关研究以题为 “具有 3D 打印腔内透镜的混合光纤固体激光器/Hybrid fiber–solid-state laser with 3D-printed intracavity lenses”的论文被发表在《光学杂志》期刊上，由Simon Angstenberger, Pavel Ruchka等人联合撰写。

论文链接：https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-48-24-6549&id=544426

该研究概述了使用 3D 打印技术直接在光纤上制造微型光学元件，将光纤和激光晶体无缝集成到单个激光振荡器中。在保持稳定性的同时，所得的混合激光器在 1063.4 nm 处产生超过 20 mW 的一致输出，达到 37 mW 的峰值。这款激光器的独特之处在于它结合了光纤激光器的紧凑性、耐用性和成本效益以及晶体固态激光器的多功能特性（包括各种功率和颜色）。这项研究代表了在制造价格实惠、小型且可靠的激光器方面取得的重大进步，特别有利于自动驾驶汽车中的激光雷达系统。

斯图加特大学第四物理研究所研究小组负责人 Simon Angstenberger 表示：“我们通过使用 3D 打印直接在激光器内部使用的玻璃纤维上制造高质量的微光学器件，显着减小了激光器的尺寸。这是此类 3D 打印光学器件首次在现实世界的激光器中应用，凸显了它们的高损伤阈值和稳定性。”

△研究人员将微型透镜直接打印到光纤上，使它们能够将光纤和激光晶体紧凑地组合在单个激光振荡器内。照片由德国斯图加特大学第四物理研究所 Moritz Floess 和Simon Angstenberger 拍摄

从笨重的激光器到采用 3D 打印光学器件的紧凑型动力源

斯图加特大学第四物理研究所一直积极参与推进 3D 打印微光学技术，特别是直接打印到纤维上的应用。利用双光子聚合 3D 打印方法，研究人员实现了高精度小型化光学器件的创建，并引入了自由曲面光学器件和复杂透镜系统等新颖功能。

在这项研究中，使用Nanoscribe 3D 打印机通过双光子聚合将直径为 0.25 毫米、高度为 80 微米的透镜直接打印到尺寸匹配的光纤上。该程序包括使用商业软件设计光学元件，将光纤插入 3D 打印机，并将复杂结构打印到光纤末端。打印与纤维的精确对准以及确保打印过程的准确性是这一细致过程的关键方面。

打印后，研究人员组装了激光器及其腔体，选择使用光纤而不是传统的镜面。这种方法产生了混合光纤晶体激光器，打印透镜将光线聚焦并收集进出激光晶体。然后将光纤固定在支架上，以增强系统稳定性并降低对空气湍流的敏感性，从而形成紧凑的 5 x 5 cm 2激光系统。

在几个小时内，对激光功率进行了连续监测，确认打印光学器件没有出现退化，并且不会对激光器的长期性能产生不利影响。在激光腔中使用后的光学器件的扫描电子显微镜图像显示没有可见的损坏。研究人员目前专注于优化打印光学器件的效率，探索更大的光纤和不同的透镜设计，以增强输出功率和针对特定应用的定制选项。

Angstenberger 说：“到目前为止，3D 打印光学器件主要用于内窥镜等低功率应用。例如，将它们用于高功率应用的能力对于光刻和激光打标可能很有用。我们证明，这些打印在纤维上的 3D 微光学器件可用于将大量光聚焦到一个点，这对于精确破坏癌组织等医疗应用可能很有用。”

△该示意图显示了使用 3D 打印透镜进行光纤耦合的激光器设计。 新型激光器结合了光纤和晶体固体激光器的优点。 照片来自德国斯图加特大学第四物理研究所 Simon Angstenberger

激光技术的进步

Fraunhofer IAPT的 L-PBF负责人Philipp Kohlwes 分享了对该研究所用于提高金属 3D 打印稳定性和生产率的光束整形研究的见解，他表示这项研究的重点是调整激光分布以优化激光粉末床熔合（LPBF）中的熔池能量输入，解决传统高斯分布引起的问题。光束整形对于激光轮廓调整至关重要，可确保均匀的温度分布。该技术具有增强的微观结构控制、潜在的成本节约以及高达 2.5 倍的打印速度等优势，有助于提高生产效率。

△透镜设计和焦点处的光束轮廓。图像 (a) 使用光学显微镜以 100 倍放大倍率拍摄，示意性地显示了 470 µm 长的 FG250LA 无芯中二极管连接的 FG105LCA 多模光纤发出的 808 nm 泵浦光（红色）的光束扩展直径为 250 µm 的光纤。透镜将光束聚焦到工作距离为 357 µm 的焦点 w 0（未按比例），相应的光束轮廓如 (b) 所示。它呈现出近似对称的轮廓，符合高斯分布，如圆形白色轮廓线所示。高斯半高宽以黄色标记，分别为 FWHM x  = 67 µm 和 FWHM y  = 64 µm。x轴和y轴上的白色曲线显示各个维度中中心 20 条像素线的总和。面板（c）是用光学显微镜以 60 倍放大倍率拍摄的，显示了与（a）类似的腔激光束（绿色）的传播。1064 nm 波长的光束通过 1370 µm 长、直径 250 µm 的 FG250LA 无芯光纤耦合到 PM980XP 光纤。(d) 焦点处信号光的光束轮廓，以 60 倍放大倍率成像，以与 (b) 类似的方式绘制。高斯 FWHM（黄色）较小，FWHM x  = 23 µm 和 FWHM y  = 26 µm。

在2023年 1 月，3DM Digital Manufacturing推出了一项技术，使用户能够针对特定材料或应用定制选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印激光器。该公司的专有激光器使用量子级联激光器，提供可调节的波长、更快的激光吸收和高表面光洁度。通过在聚合物制造中的应用，该可扩展技术旨在扩大工业 3D 打印的市场份额。