Por primera vez, los investigadores han demostrado que las microópticas basadas en polímeros impresas en 3D pueden resistir los niveles de calor y potencia que se producen dentro de un láser. El avance permite fuentes láser económicas, compactas y estables que serían útiles en una variedad de aplicaciones, incluidos los sistemas lidar utilizados para vehículos autónomos.
"Redujimos significativamente el tamaño de un láser mediante el uso de impresión 3D para fabricar microópticas de alta calidad directamente sobre las fibras de vidrio utilizadas dentro de los láseres", dijo el líder del equipo de investigación Simon Angstenberger del IV Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart en Alemania. "Esta es la primera implementación de este tipo de óptica impresa en 3D en un láser del mundo real, lo que destaca su alto umbral de daño y estabilidad".
En la revista Optics Letters , los investigadores describen cómo imprimieron en 3D ópticas a microescala directamente sobre fibras ópticas para combinar fibras y cristales láser dentro de un único oscilador láser de forma compacta. El láser híbrido resultante mostró un funcionamiento estable con potencias de salida de más de 20 mW a 1063,4 nm y tuvo una potencia de salida máxima de 37 mW.
El nuevo láser combina la compacidad, la robustez y el bajo coste de los láseres de fibra con las ventajas de los láseres de estado sólido basados en cristal, que pueden tener una amplia gama de propiedades, como diferentes potencias y colores.
"Hasta ahora, la óptica impresa en 3D se utilizaba principalmente para aplicaciones de baja potencia, como la endoscopia", afirma Angstenberger. "La capacidad de usarlos con aplicaciones de alta potencia podría ser útil para la litografía y el marcado láser, por ejemplo. Demostramos que estas microópticas 3D impresas en fibras se pueden usar para enfocar grandes cantidades de luz en un solo punto, lo que podría ser útil para aplicaciones médicas como la destrucción precisa del tejido canceroso."
El IV Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart tiene una larga trayectoria en el desarrollo de microópticas impresas en 3D, especialmente la capacidad de imprimirlas directamente sobre fibras. Utilizan un método de impresión 3D conocido como polimerización de dos fotones, que enfoca un láser infrarrojo en una fotoprotección sensible a los rayos UV.
En la región focal del láser se absorben simultáneamente dos fotones infrarrojos, lo que endurece la resistencia a los rayos UV. Mover el foco permite crear varias formas con alta precisión. El uso de este método se puede utilizar para crear ópticas miniaturizadas y también permite funcionalidades novedosas como la creación de ópticas de forma libre o sistemas de lentes complejos.
"Debido a que estos elementos impresos en 3D están hechos de polímeros, no estaba claro si podrían soportar la cantidad significativa de carga de calor y potencia óptica que se produce dentro de una cavidad láser", dijo Angstenberger. "Descubrimos que son sorprendentemente estables y no pudimos observar ningún tipo de daño en las lentes incluso después de varias horas de utilizar el láser".
Para el nuevo estudio, los investigadores utilizaron una impresora 3D fabricada por Nanoscribe para fabricar lentes con un diámetro de 0,25 mm y una altura de 80 micrones en el extremo de una fibra con el mismo diámetro mediante polimerización de dos fotones.
Se trataba de diseñar un elemento óptico con software comercial, insertar la fibra en la impresora 3D y luego imprimir la pequeña estructura en el extremo de la fibra. Este proceso debe ser extremadamente preciso en términos de alineación de la impresión con la fibra y la precisión de la impresión misma.
Una vez completada la impresión, los investigadores ensamblaron el láser y la cavidad del láser. En lugar de utilizar un cristal dentro de una cavidad láser hecha de espejos voluminosos y costosos, utilizaron fibras para formar parte de la cavidad, creando un láser híbrido de fibra y cristal. Las lentes impresas al final de las fibras enfocan y recogen (o acoplan) la luz dentro y fuera del cristal láser.
Luego pegaron las fibras en una montura para hacer que el sistema láser fuera más estable y menos susceptible a las turbulencias del aire. El cristal y las lentes impresas medían sólo 5 X 5 cm 2 .
El registro continuo de la potencia del láser durante varias horas verificó que la óptica impresa dentro del sistema no se deteriorara ni afectara las propiedades a largo plazo del láser. Además, las imágenes de microscopía electrónica de barrido de la óptica después de su uso en la cavidad del láser no mostraron ningún daño visible. "Curiosamente, descubrimos que la óptica impresa era más estable que la rejilla de Bragg de fibra comercial que utilizamos, lo que acabó limitando nuestra potencia máxima", afirmó Angstenberger.
Los investigadores ahora están trabajando para optimizar la eficiencia de la óptica impresa. Fibras más grandes con diseños de lentes asféricos y de forma libre optimizados o una combinación de lentes impresas directamente sobre la fibra podrían ayudar a mejorar la potencia de salida. También les gustaría demostrar diferentes cristales en el láser, lo que podría permitir personalizar la salida para aplicaciones específicas.
Más información: Simon Angstenberger et al, Láser híbrido de fibra y estado sólido con lentes intracavitarias impresas en 3D, Optics Letters (2023). DOI:10.1364/OL.504940
Información de la revista: Letras de Óptica
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