3Dプリントを利用したコンパクトなハイブリッドレーザー設計の開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-12-15 16:43 に最後に編集されました

2023年12月15日、アンタークティックベアは、3Dプリントされたポリマーマイクロオプティクスがレーザー内部で発生する熱と電力レベルに耐えられることを研究者が初めて実証したことを知りました。この進歩により、将来、自動運転車用のライダーシステムなど、さまざまな用途に使用できる、安価でコンパクトで安定したレーザー光源が可能になります。

△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。この新しいレーザーは、ファイバーレーザーと結晶固体レーザーの利点を組み合わせたものです。「レーザー内部で直接使用されるガラスファイバーに 3D 印刷技術を使用して高品質のマイクロ光学系を製造することで、レーザーのサイズを大幅に縮小しました」と、ドイツのシュトゥットガルト大学物理学研究所 IV の研究グループ長、サイモン・アングステンベルガー氏は述べています。「このような 3D 印刷光学系が実際のレーザーで実現された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。」

学術誌「Optics Express」で、研究者らは、光ファイバー上にマイクロ光学系を直接3Dプリントし、光ファイバーとレーザー結晶をコンパクトな単一レーザー発振器に組み合わせる方法について説明しています。得られたハイブリッドレーザーは、1063.4 nmで安定して動作し、出力は20 mWを超え、最大出力は37 mWです。

この新しいレーザーは、ファイバーレーザーのコンパクトさ、堅牢性、低コストと、さまざまな出力や色などのさまざまな特性を持つことができる結晶固体レーザーの利点を兼ね備えています。

「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で主に使用されてきました」とアングステンバーガー氏は説明します。「しかし、高出力が求められるリソグラフィーやレーザーマーキングなどの分野でも、潜在的な用途があります。私たちは、ファイバー上に印刷された 3D マイクロ光学部品が大量の光を一点に集中できることを実証しました。これは、がん組織の正確な破壊などの医療用途にとって重要です。」

△研究者らは光ファイバー上にマイクロレンズを直接印刷し、光ファイバーとレーザー結晶を1つ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。
熱を上手に取り除く方法

シュトゥットガルト大学の物理学第 4 研究所は、3D プリントされたマイクロ光学デバイス、特にファイバー上に直接プリントする機能の開発において長い歴史を持っています。彼らは、赤外線レーザーを紫外線に敏感なフォトレジストに集中させる、2光子重合と呼ばれる3Dプリント法を使用しました。

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、紫外線耐性が向上します。フォーカスポイントを移動することで、さまざまな形状を高精度に作成できます。このアプローチは、小型光学系の作成に使用できるほか、自由形状光学系や複雑なレンズシステムの作成など、新しい機能も実現できます。

△レンズ設計と焦点位置でのビームプロファイル
「これらの 3D プリントされた要素はポリマーで作られているため、レーザーキャビティ内で生成される大きな熱負荷と光出力に耐えられるかどうかは不明でした」とアングステンバーガー氏は説明します。「しかし、非常に安定しており、レーザーを数時間稼働させた後でもレンズに損傷は見られませんでした。」

新たな研究では、研究者らはナノスクライブ社製の3Dプリンターを使用し、2光子重合によって同じ直径の光ファイバーの端に直径0.25ミリメートル、高さ80ミクロンのレンズを作成した。

これには、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、ファイバーの端に小さな構造を印刷することが含まれます。このプロセスは、プリント自体の精度だけでなく、プリントと繊維の位置合わせの点でも極めて正確でなければなりません。

△この研究は「3つのプリントされたキャビティレンズを備えたハイブリッドファイバー固体レーザー」というタイトルでOptics Expressに掲載されました（ポータル）
ハイブリッドレーザーの作成

印刷が完了すると、研究者らはレーザーとレーザーキャビティを組み立てた。かさばって高価なミラーを備えたレーザー空洞内部の結晶を使用する代わりに、研究者らは光ファイバーを使用して空洞の一部を形成し、ハイブリッドファイバー結晶レーザーを作成しました。

光ファイバーの端にレンズを印刷することで、研究チームはレーザー光を集中させ、光を集めて結合し、レーザー結晶に出入りできるようにした。レーザーシステムの安定性を高め、装置のサイズを縮小するために、光ファイバーをブラケットに巧みに接着しました。この効率的な準備方法により、結晶と印刷レンズの両方が小型化され、レーザーシステム全体のサイズがわずか 5 x 5CM² になります。

数時間にわたってレーザー出力を記録した後、チームは 3D プリントされた光学系がレーザーの長期的なパフォーマンスに影響を与えないことを確認しました。走査型電子顕微鏡画像では、レーザーキャビティでの使用後に光学系に目に見える損傷は見られませんでした。「興味深いことに、3Dプリントされた光学系は、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よりも安定していることがわかりました」とアングステンバーガー氏は付け加えた。

チームは現在、3Dプリントされた光学系の効率を最適化することに取り組んでいるという。計画では、自由形状および非球面レンズの設計を最適化し、より大きな光ファイバーを組み合わせたり、光ファイバーに直接レンズを印刷したりすることで、出力を高めることになっています。さらに、彼らは、特定の用途に合わせて出力を調整するために、レーザー内の異なるタイプの結晶を実証する予定です。

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