新たな突破口！シュトゥットガルト大学、小型レーザー用の新しい高出力3Dプリントマイクロオプティクスを開発

はじめに: マイクロ 3D 印刷技術は、内視鏡検査、イメージング、量子技術などの分野をカバーするマイクロ光学アプリケーションに革命をもたらしました。これらすべてのアプリケーションでは小型化が重要であり、ほぼ無制限の設計空間と組み合わせることで、マイクロ 3D プリンティングはアプリケーションの新たな道を切り開きます。
2024年1月9日、アンタークティックベアは、シュトゥットガルト大学の第4物理学研究所の研究者が、過酷なレーザー環境での3Dプリントポリマーマイクロ光学デバイスの実現可能性を実証したことを知りました。ここで研究者たちは、キャビティ内ファイバー 3D プリント光学系を備えた初のファイバーレーザーシステムを実現することで、小型化と耐久性の限界を押し広げています。
関連研究は、Simon Angstenberger、Pavel Ruchkaらが共同執筆した「3Dプリントされたキャビティ内レンズを備えたハイブリッドファイバー固体レーザー」という論文で、Optics誌に掲載されました。

論文リンク: https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-48-24-6549&id=544426
この研究では、3D プリントを使用して光ファイバー上に直接マイクロ光学部品を製造し、ファイバーとレーザー結晶を単一のレーザー発振器にシームレスに統合する方法を概説しています。結果として得られたハイブリッドレーザーは、安定性を維持しながら、1063.4 nm で 20 mW を超える一貫した出力を生成し、ピーク 37 mW に達しました。このレーザーは、ファイバーレーザーのコンパクトさ、耐久性、コスト効率と、幅広い出力と色を含む結晶固体レーザーの汎用性を兼ね備えている点でユニークです。この研究は、手頃な価格で小型かつ信頼性の高いレーザーの製造における大きな進歩であり、特に自動運転車のライダーシステムに有益となる可能性がある。
「レーザー内部に使用されているガラス繊維の上に3Dプリントを使用して高品質のマイクロ光学系を直接製造することで、レーザーのサイズを大幅に縮小しました」と、シュトゥットガルト大学物理学第4研究所の研究グループ長、サイモン・アングステンバーガー氏は述べた。「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るのは今回が初めてであり、その高い損傷閾値と安定性が際立っています。」
△研究者らはマイクロレンズを光ファイバー上に直接印刷し、光ファイバーとレーザー結晶を単一のレーザー発振器内にコンパクトに組み合わせることを可能にした。写真提供：モーリッツ・フロース、サイモン・アングステンベルガー、シュトゥットガルト大学物理学第4研究所（ドイツ）
大型レーザーから 3D プリント光学系を備えたコンパクトなパワーハウスまで<br /> シュトゥットガルト大学の物理学第 4 研究所は、特にファイバーへの直接印刷などの用途向けに、3D プリントされたマイクロ光学技術の進歩に積極的に取り組んでいます。研究者らは、 2光子重合3Dプリント法を用いて、高精度の小型光学デバイスの作成を実現し、自由形状光学系や複雑なレンズシステムなどの新しい機能を導入しました。
この研究では、Nanoscribe 3D プリンターを使用して、2 光子重合により、直径 0.25 mm、高さ 80 ミクロンのレンズをサイズが一致した光ファイバー上に直接印刷しました。この手順では、市販のソフトウェアを使用して光学部品を設計し、光ファイバーを 3D プリンターに挿入し、複雑な構造をファイバーの端に印刷します。プリントを繊維に正確に位置合わせし、印刷プロセス中に精度を確保することは、この細心の注意を要するプロセスの重要な側面です。
印刷後、研究者らはレーザーとその空洞を組み立て、従来の鏡の代わりに光ファイバーを使用することを選択しました。このアプローチにより、印刷されたレンズがレーザー結晶に出入りする光を集束して収集するハイブリッドファイバー結晶レーザーが作成されます。次に、ファイバーをブラケットに固定してシステムの安定性を高め、空気の乱流に対する感度を低減し、コンパクトな 5 x 5 cm2 のレーザーシステムが実現します。
レーザー出力は数時間にわたって継続的に監視され、印刷された光学系の劣化はなく、レーザーの長期的なパフォーマンスに悪影響を与えないことが確認されました。レーザーキャビティでの使用後の光学系の走査型電子顕微鏡画像には、目に見える損傷は見られませんでした。研究者らは現在、印刷光学系の効率を最適化することに注力しており、出力パワーと特定のアプリケーション向けのカスタマイズオプションを強化するために、より大きな光ファイバーとさまざまなレンズ設計を研究しています。
「これまで、3D プリントされた光学部品は、内視鏡検査などの低出力用途に主に使用されてきた」とアングステンバーガー氏は言う。「高出力用途に使用できるということは、例えばリソグラフィーやレーザーマーキングに有効である。私たちは、ファイバー上にプリントされたこれらの 3D マイクロ光学部品を使用して、大量の光を一点に集中できることを実証した。これは、がん組織の精密破壊などの医療用途に役立つ可能性がある。」
△この図は、ファイバー結合に 3D プリントされたレンズを使用したレーザーの設計を示しています。新しいレーザーは、ファイバーレーザーと結晶固体レーザーの利点を兼ね備えています。写真提供：ドイツ、シュトゥットガルト大学物理学研究所IVのサイモン・アングステンベルガー
レーザー技術の進歩
フラウンホーファー IAPT の L-PBF 責任者であるフィリップ・コールウェス氏は、金属 3D プリントの安定性と生産性を向上させるためのビーム成形に関する同研究所の研究についての見解を共有しました。同氏によると、この研究は、レーザー分布を調整してレーザー粉末床溶融 (LPBF) の溶融プールのエネルギー入力を最適化し、従来のガウス分布によって生じる問題を解決することに重点を置いています。均一な温度分布を確保するために、レーザープロファイリングではビーム成形が非常に重要です。この技術は、微細構造制御の強化、潜在的なコスト削減、最大 2.5 倍の印刷速度の向上などの利点をもたらし、生産効率の向上に役立ちます。
△レンズ設計と焦点におけるビームプロファイル。画像 (a) は光学顕微鏡を使用して 100 倍の倍率で撮影されたもので、ファイバー径が 250 µm の 470 µm 長の FG250LA コアレスダイオード接続 FG105LCA マルチモードファイバーから放射される 808 nm ポンプ光 (赤) のビーム拡張を模式的に示しています。レンズは、357µmの作動距離でビームを焦点w0（縮尺通りではない）に集束させ、対応するビームプロファイルが（b）に示されています。円形の白い等高線で示されるように、ガウス分布に準拠したほぼ対称的なプロファイルを示します。ガウスの半値幅は黄色でマークされており、それぞれ FWHM x = 67 µm および FWHM y = 64 µm です。 x 軸と y 軸上の白い曲線は、各次元の中央の 20 ピクセルラインの合計を示します。パネル（c）は光学顕微鏡で60倍に拡大して撮影したもので、（a）と同様のキャビティレーザービーム（緑）の伝播を示しています。 1064 nm 波長ビームは、長さ 1370 µm、直径 250 µm の FG250LA コアレスファイバーを介して PM980XP ファイバーに結合されます。 (d) 焦点における信号光のビームプロファイル。60倍の倍率で撮影し、(b)と同様にプロットした。ガウス FWHM (黄色) は小さく、FWHM x = 23 µm、FWHM y = 26 µm です。
3DM Digital Manufacturing は 2023 年 1 月、ユーザーが特定の材料や用途に合わせて選択的レーザー焼結法 (SLS) 3D プリントレーザーをカスタマイズできるテクノロジーを発表しました。同社独自のレーザーは量子カスケードレーザーを使用しており、調整可能な波長、より速いレーザー吸収、高い表面仕上げを実現します。このスケーラブルな技術は、ポリマー製造への応用を通じて、産業用 3D プリンティングの市場シェアを拡大することを目指しています。

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