《探索 | 研究人员通过将微光学器件3D打印到光纤上来制造稳定的混合激光器》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2023-12-15
  • 研究人员首次表明,3D打印的基于聚合物的微光学器件可以承受激光内部产生的热量和功率水平。这一进步使廉价、紧凑和稳定的激光源成为可能,这些激光源可用于各种应用,包括用于自动驾驶汽车的激光雷达系统。

    “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,我们显着减小了激光器的尺寸,”德国斯图加特大学第四物理研究所的研究团队负责人Simon Angstenberger说。“这是这种3D打印光学器件在现实世界激光器中的首次实现,突出了它们的高损伤阈值和稳定性。

    在《光学快报》杂志上,研究人员描述了他们如何将微尺度光学器件直接打印到光纤上,以紧凑的方式将光纤和激光晶体组合在单个激光振荡器内。所得到的混合激光器在 1063.4nm处的输出功率超过20 mW时表现出稳定的工作,最大输出功率为37 mW。

    新型激光器结合了光纤激光器的紧凑性、坚固性和低成本,以及晶体基固态激光器的优点,晶体固态激光器可以具有广泛的特性,例如不同的功率和颜色。

    “到目前为止,3D打印光学器件主要用于内窥镜检查等低功耗应用,”Angstenberger说。“例如,将它们用于高功率应用的能力可能对光刻和激光打标有用。我们表明,这些打印在光纤上的3D微光学器件可用于将大量光聚焦到单个点,这对于医疗应用非常有用。

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    • 编译者:husisi
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    • 来自以色列Soreq核研究中心的研究人员近期成功开发出一种新型3D激光打印技术,可直接在光纤末端制造高质量、复杂的聚合物光学器件,能够以一种低成本的方式来为各种应用设计不同的光束。而且这种微型光学器件的尺寸甚至比人类头发丝的直径还要小。 以色列索瑞克核研究中心(Soreq Nuclear Research Center in Israel)的研究团队负责人Shlomi Lightman表示:“包括通信、互联网在内的许多应用都是基于光纤技术。当光从光纤中出来时,一般会使用大型光学元件将其传输到下一个位置。而我们的方法则是通过将布线过程集成到光纤本身,最大限度地减少这一过程所需的尺寸和成本。” 图1 3D打印的复杂聚合物光学器件的扫描电子显微镜图像 另外值得注意的是,整个微型光学器件的制造过程花了仅仅不到五分钟。而且光纤和这种微型光学器件加起来的的成本不到100美元,大约是具有类似功能的标准显微镜物镜成本的十分之一。 Shlomi Lightman表示:“直接从光纤产生贝塞尔光束的能力,可以用于粒子操作或光纤集成受激发射损耗(STED)显微镜,这是一种产生超分辨率图像的技术。我们的制造方法还可以通过在镜片上打印智能微结构,将普通镜片升级为更高质量的智能镜片。” 为了制造这种微型光学器件,研究人员使用了一种叫做3D直接激光打印的技术。它使用飞秒脉冲激光束在光敏光学材料中产生双光子吸收。只有发生双光子吸收的微小材料会变为固体,这提供了一种创建高分辨率3D结构的方法。 虽然3D直接激光打印技术已经应用了很长时间,但是在光纤尖端制作如此小的光学器件时,依旧很难获得正确的比例并对准。于是,研究人员通过进行高度精确的2D和3D模拟,克服了这个障碍。除此之外,他们还需要仔细考虑如何将光学元件相互集成,然后将其与光纤的纤芯对齐。 在经过模拟和精心规划后,研究人员使用商业3D直接激光写入系统和光敏聚合物,在单模光纤末端打印出了直径为60微米、高度为110微米的微型光学器件。它包括用于光线准直的抛物面透镜和用于扭曲光线的螺旋轴棱镜。因此可以使从光纤射出的光变成扭曲的贝塞尔光束。 为了分析上述所制作出器件的质量,研究人员设计了一个光学测量系统,来捕获从改性光纤传输的整形光束。他们在光束中观察到非常低的衍射,这意味着它可应用于STED显微镜和粒子操作等应用。 图2 用于分析整形光束性能的光学测量系统 他们还发现他们还发现,激光功率如果达到接近10 MW/cm2就会损坏制作的微光学器件。也就是说,虽然聚合物比玻璃更容易受到高功率的热损伤,但由聚合物制成的该器件仍然可以用于产生相对较高的激光功率。 如今,研究人员已经证明了使用这种直接3D激光打印方法可以创建精确的多元素微光学系统,他们正在尝试使用含有低比例聚合物的混合光敏材料进行试实验。与聚合物材料相比,这种材料可以生产出质量更高的光学器件,而且还具有保质期长,耐热性高的优势。
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    • 编译者:husisi
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    • 激光是观察、探测和测量自然界中我们用肉眼看不到的东西的重要工具。但是,执行这些任务的能力往往受到使用昂贵的大型仪器的需求的限制。 在《科学》杂志最新发表的一篇封面论文中,研究人员Qiushi Guo展示了一种在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。他的工作集中在小型化锁模激光器上,这是一种独特的激光器,以飞秒为间隔发射一连串超短相干光脉冲,其时间间隔仅为惊人的千万亿分之一秒。 超快锁模激光器对于揭开自然界最快时间尺度的秘密是必不可少的,例如化学反应过程中分子键的建立或破坏,或湍流介质中的光传播。锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖也使许多光子技术成为可能,包括光学原子钟、生物成像和使用光计算和处理数据的计算机。 不幸的是,目前最先进的锁模激光器是昂贵的、功率需求高的台式系统,仅限于实验室使用。 纽约市立大学高级科学研究中心光子学计划教师、纽约市立大学研究生中心物理学Guo教授说:“我们的目标是通过将大型实验室系统转变为可以大规模生产和现场部署的芯片尺寸系统,彻底改变超快光子学领域。我们不仅想让东西变得更小,而且还想确保这些超快芯片尺寸的激光器提供令人满意的性能。例如,我们需要足够的脉冲峰值强度,最好超过1瓦,以创建有意义的芯片级系统。” 然而,在芯片上实现有效的锁模激光器并不是一个简单的过程。郭教授的研究利用了一种新兴的材料平台,即薄膜铌酸锂(TFLN)。这种材料通过施加外部射频电信号,可以对激光脉冲进行非常有效的整形和精确控制。 在他们的实验中,Guo的团队将III-V半导体的高激光增益和TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力独特地结合在一起,展示了一种可以发出0.5瓦特高输出峰值功率的激光器。 除了紧凑的尺寸,演示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的有趣特性,为未来的应用提供了深远的意义。 例如,通过调整激光器的泵浦电流,郭能够精确地调整输出脉冲的重复频率,范围在200 MHz的非常宽的范围内。通过利用演示激光器的强大可重构性,研究小组希望实现芯片级、频率稳定的梳状光源,这对精确传感至关重要。 Guo的团队需要应对额外的挑战,以实现可扩展、集成、超快的光子系统,这些系统可以转化为便携式和手持设备使用,但他的实验室已经克服了当前演示中的一个主要障碍。 Guo先生说:“这一成就为最终使用手机诊断眼部疾病,分析食物中的大肠杆菌、环境中危险病毒等铺平了道路。它还可以实现未来的芯片级原子钟,在GPS受到威胁或不可用时进行导航。” 基于纳米光子铌酸锂的芯片级超快锁模激光器