《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》

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  • 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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    • 图:研究员开发了一种可编程的无线空间光调制器 在《Star Wars: Episode IV—A New Hope》中的一个场景中,R2D2投射了Leia公主绝望求援的三维全息图。那场拍摄于45年前的戏,有点电影魔力,即使在今天,我们也没有技术创造出如此逼真和动态的全息图。 生成一个独立的3D全息图将需要对光进行极其精确和快速的控制,这超出了基于液晶或微镜的现有技术的能力。 由麻省理工学院的一个团队领导的一个国际研究小组花了四年多的时间来解决这个高速光束形成的问题。他们现在已经展示了一种可编程的无线设备,它可以控制光线,例如通过将光束聚焦在特定方向或控制光线强度,并且比商业设备更快。 他们还开创了一种制造工艺,确保在大规模制造时,器件质量保持近乎完美。这将使他们的设备在现实环境中更可行。 该设备被称为空间光调制器,可用于为自动驾驶汽车创建超快激光雷达(光检测和测距)传感器,其对场景的成像速度比现有机械系统快100万倍。它还可以加速大脑扫描仪的速度,后者利用光线“透视”组织。通过能够更快地对组织成像,扫描仪可以生成更高分辨率的图像,这些图像不受活体组织(如流动的血液)动态波动的噪声影响。 首席作者Christopher Panuski表示:“我们专注于控制光,这自古以来就是一个反复出现的研究主题。我们的发展是朝着在空间和时间上实现对使用光的无数应用的完全光学控制。” 这项研究发表在《Nature Photonic》。 操纵光 空间光调制器(SLM)是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置。类似于高架投影仪或计算机屏幕,SLM转换通过的光束,将其聚焦在一个方向或折射到多个位置以形成图像。 在SLM内部,二维光调制器阵列控制光。但光的波长只有几百纳米,因此为了精确控制高速光,该设备需要一个极其密集的纳米级控制器阵列。研究人员使用光子晶体微腔阵列来实现这一目标。这些光子晶体谐振器允许以波长尺度可控地存储、操纵和发射光。 当光进入空腔时,它被保持大约一纳秒,在泄漏到太空之前反弹超过100000次。虽然纳秒仅为十亿分之一秒,但这足够设备精确操纵光线的时间。通过改变空腔的反射率,研究人员可以控制光线如何逃逸。同时控制阵列可以调制整个光场,因此研究人员可以快速准确地控制光束。 Panuski说:“我们的设备的一个新颖之处在于其设计的辐射模式。我们希望每个腔体的反射光成为聚焦光束,因为这提高了最终设备的光束控制性能。我们的工艺本质上是一种理想的光学天线。”。 他解释说,为了实现这一目标,研究人员开发了一种新的算法来设计光子晶体器件,当光从每个腔逸出时,光子晶体器件将光形成窄束。 使用光控制光 该团队使用微型LED显示器来控制SLM。LED像素与硅芯片上的光子晶体对齐,因此打开一个LED可以调谐单个微腔。当激光击中激活的微腔时,腔根据LED发出的光对激光的响应不同。 Panuski表示,使用LED控制设备意味着阵列不仅可以编程和重新配置,而且完全无线。他补充道:“这是一个全光控制过程。如果没有金属线,我们可以将设备放置在一起,而不必担心吸收损耗。” 弄清楚如何以可扩展的方式制造如此复杂的设备是一个长达数年的过程。研究人员希望使用为计算机制造集成电路的相同技术,从而使该设备能够大规模生产。但是在任何制造过程中都会出现微小的偏差,如果芯片上有微米大小的空腔,这些微小的偏差可能会导致性能的巨大波动。 研究人员与美国空军研究实验室合作,开发了一种高度精确的大规模制造工艺,在12英寸硅片上冲压数十亿个空洞。然后,他们结合了后处理步骤,以确保微腔都在相同的波长下工作。 研究人员将激光照射到微腔上。激光将硅加热到1000摄氏度以上,产生二氧化硅或玻璃。研究人员创造了一种系统,用同一种激光同时轰击所有空腔,并添加了一层玻璃,使共振(即空腔振动的自然频率)完美对齐。 Panuski说:“在修改了制造工艺的一些特性后,我们证明我们能够在具有良好均匀性的铸造工艺中制造出世界级的器件。这是这项工作的一个重要方面,即如何制造这些器件。” 该装置在光场的空间和时间上都表现出近乎完美的控制,其 “时空带宽”是现有SLM的10倍。能够精确控制巨大的光带宽,可以使能够极其快速地传输大量信息的设备成为可能,例如高性能通信系统。 现在,他们已经完善了制造工艺,研究人员正在努力制造更大的用于量子控制或超快传感和成像的设备。