Forschende schaffen stabilen Hybridlaser durch 3D-Druck von Mikrooptiken auf Fasern

Forschende haben zum ersten Mal gezeigt, dass 3D-gedruckte Mikrooptiken auf Polymerbasis der Hitze und den Leistungspegeln in einem Laser standhalten können. Dieser Fortschritt ermöglicht kostengünstige, kompakte und stabile Laserquellen, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sein könnten, darunter auch Lidar-Systeme für autonome Fahrzeuge.

Simon Angstenberger vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart in Deutschland und Leiter des Forschungsteams erklärte: “Wir haben die Größe eines Lasers erheblich reduziert, indem wir 3D-Druck zur Herstellung hochwertiger Mikrooptiken direkt auf Glasfasern, die in Lasern verwendet werden, eingesetzt haben. Dies ist die erste Implementierung solcher 3D-gedruckter Optiken in einem realen Laser, was ihre hohe Schadensschwelle und Stabilität unterstreicht.”

In der Fachzeitschrift “Optics Letters” beschreiben die Forschenden, wie sie Mikroskalenoptiken direkt auf optischen Fasern 3D-druckten, um Fasern und Laserkristalle in einem einzigen Laser-Oszillator kompakt zu kombinieren. Der resultierende Hybridlaser zeigte einen stabilen Betrieb bei Ausgangsleistungen von über 20 mW bei 1063,4 nm und erreichte eine maximale Ausgangsleistung von 37 mW.

Der neue Laser vereint die Kompaktheit, Robustheit und Kosteneffizienz von faserbasierten Lasern mit den Vorteilen kristallbasierter Festkörperlaser, die ein breites Spektrum an Eigenschaften wie unterschiedliche Leistungen und Farben aufweisen können.

“Bisher wurden 3D-gedruckte Optiken vor allem für Anwendungen mit geringer Leistung, wie z. B. in der Endoskopie, verwendet”, so Angstenberger. “Die Möglichkeit, sie für Anwendungen mit hoher Leistung zu nutzen, könnte zum Beispiel für die Lithografie und die Lasermarkierung nützlich sein. Wir haben gezeigt, dass diese auf Fasern gedruckten 3D-Mikrooptiken verwendet werden können, um große Lichtmengen auf einen einzigen Punkt zu fokussieren, was für medizinische Anwendungen wie die präzise Zerstörung von Krebsgewebe nützlich sein könnte.”

Das 4. Physikalische Institut der Universität Stuttgart hat eine lange Geschichte in der Entwicklung von 3D-gedruckten Mikrooptiken, insbesondere der Fähigkeit, sie direkt auf Fasern zu drucken. Sie verwenden einen 3D-Druckansatz, der als Zwei-Photonen-Polymerisation bekannt ist, bei dem ein Infrarotlaser in einen UV-empfindlichen Photowiderstand fokussiert wird.

Für die Studie verwendeten die Forschenden einen 3D-Drucker von Nanoscribe, um Linsen mit einem Durchmesser von 0,25 mm und einer Höhe von 80 Mikron am Ende einer Faser mit demselben Durchmesser zu fertigen. Dies erforderte eine äußerst präzise Ausrichtung des Drucks zur Faser und eine hohe Genauigkeit des Druckvorgangs selbst.

“Da diese 3D-gedruckten Elemente aus Polymeren bestehen, war es unklar, ob sie der erheblichen Wärmebelastung und der optischen Leistung, die im Inneren eines Laserresonators auftreten, standhalten können”, so Angstenberger. “Wir haben festgestellt, dass sie erstaunlich stabil sind, und wir konnten auch nach mehreren Stunden Laserbetrieb keinerlei Schäden an den Linsen feststellen.”
“Interessanterweise waren die gedruckten Optiken stabiler als das kommerzielle Faser-Bragg-Gitter, das wir verwendet haben und das unsere maximale Leistung begrenzt hat”, so Angstenberger.

Nachdem der Druck abgeschlossen war, montierten die Forschenden den Laser und die Laserhöhle. Statt einen Kristall in einer sperrigen und teuren Laserspiegelhöhle zu verwenden, nutzten sie Fasern, um einen Teil der Höhle zu bilden und so einen Hybrid-Faser-Kristall-Laser zu kreieren. Die am Ende der Fasern gedruckten Linsen fokussieren und sammeln – oder koppeln – das Licht in und aus dem Laserkristall.

Die Forschenden planen nun, die Effizienz der gedruckten Optiken zu optimieren. Größere Fasern mit optimierten Freiform- und asphärischen Linsendesigns oder eine Kombination von Linsen, die direkt auf die Faser gedruckt werden, könnten helfen, die Ausgangsleistung zu verbessern. Sie möchten auch verschiedene Kristalle im Laser demonstrieren, die eine Anpassung der Ausgabe für spezifische Anwendungen ermöglichen könnten.