Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pencetakan 3D semakin banyak digunakan di berbagai industri, terutama di bidang manufaktur presisi dan optik. Sebuah tim peneliti dari Universitas Stuttgart di Jerman baru-baru ini membuat aterobosan besarketika mereka pertama kali mendemonstrasikan bahwa optik mini berdasarkan polimer cetak 3D mampu menahan panas dan daya yang dihasilkan di dalam laser. Penemuan ini membuka jalan bagi pembuatan sumber laser yang murah, kompak, dan stabil yang sangat penting dalam berbagai skenario aplikasi, terutama dalam sistem LIDAR yang digunakan pada mobil tanpa pengemudi.
Simon Angstenberger, kepala tim peneliti di Institut Fisika IV di Universitas Stuttgart, mengatakan: "Dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D, kami telah menciptakan mikro-optik berkualitas tinggi langsung pada serat kaca di dalam laser, sehingga secara signifikan mengurangi ukurannya. . Ini adalah pertama kalinya optik cetak 3D digunakan dalam laser sebenarnya, yang sepenuhnya menunjukkan ambang batas toleransi kerusakan dan stabilitasnya yang tinggi."
Dalam jurnal Optics Letters, tim menjelaskan secara rinci bagaimana mereka mencetak mikro-optik secara 3D langsung pada serat optik, sehingga menggabungkan serat dengan kristal laser dalam satu osilator laser. Laser hybrid mampu beroperasi secara stabil pada 1063,4 nm dengan daya keluaran lebih dari 20 mW dan daya keluaran maksimum 37 mW.
Laser baru ini menggabungkan keunggulan kekompakan, ketahanan, dan biaya rendah dari laser serat dengan keunggulan laser solid-state berbasis kristal, yang memiliki beragam karakteristik kinerja seperti kekuatan dan warna berbeda. Desain laser berpasangan serat menggunakan lensa cetak 3D ditunjukkan pada Gambar 1.
Simon Angstenberger mencatat, “Sejauh ini, optik cetak 3D telah digunakan terutama dalam skenario berdaya rendah, seperti endoskopi. Namun, kami menunjukkan potensi teknologi ini untuk aplikasi berdaya tinggi, seperti untuk fotolitografi dan penandaan laser. Kami menunjukkan bahwa mikro-optik 3D yang dicetak langsung pada serat optik ini dapat mengkonsentrasikan sejumlah besar cahaya pada satu titik, yang sangat bermanfaat dalam aplikasi kedokteran, seperti penghancuran sel kanker secara tepat."
Pembuatan lensa skala mikro langsung pada serat optik
Institut Fisika IV di Universitas Stuttgart memiliki pengalaman penelitian yang luas di bidang mikrooptik cetak 3D, dengan keahlian khusus dalam mencetak langsung pada serat optik. Mereka menggunakan metode pencetakan 3D yang disebut "polimerisasi dua foton", di mana laser inframerah difokuskan menjadi fotoresist yang sensitif terhadap UV.
Di area fokus laser, dua foton inframerah diserap secara bersamaan, yang meningkatkan ketahanan terhadap sinar UV. Dengan menggerakkan titik fokus, berbagai bentuk dapat dibuat dengan presisi tinggi. Teknologi ini tidak hanya memungkinkan pembuatan optik miniatur tetapi juga fungsi-fungsi baru seperti pembuatan elemen optik bentuk bebas atau sistem lensa yang kompleks.
Komponen pencetakan 3D ini terbuat dari polimer, dan kami tidak yakin apakah komponen tersebut mampu menahan panas dalam jumlah besar dan daya optik yang dihasilkan dalam rongga laser,” kata Simon Angstenberger. Namun, belakangan diketahui bahwa tidak ada kerusakan yang teramati. pada lensa bahkan setelah menjalankan laser dalam jangka waktu lama selama beberapa jam, yang membuktikan stabilitasnya yang sangat tinggi."
Dalam studi terbaru ini, para peneliti menggunakan printer 3D yang diproduksi oleh Nanoscribe untuk membuat lensa dengan diameter 0,25 mm dan tinggi 80 μm di ujung serat optik dengan diameter yang sama melalui dua- polimerisasi foton (Gbr. 2). Prosesnya melibatkan perancangan optik, memasukkan serat ke dalam printer 3D, dan kemudian secara tepat mencetak struktur mikro di ujung serat, yang memerlukan tingkat akurasi tinggi dalam penyelarasan serat yang dicetak dan dalam pencetakan itu sendiri.
Membuat Laser Hibrid
Setelah pencetakan 3D selesai, tim mulai merakit laser dan rongga laser. Tidak seperti rongga laser tradisional yang menggunakan cermin besar dan mahal, rongga tersebut menggunakan serat untuk membentuk bagian rongga, sehingga menciptakan laser serat-kristal hibrida yang unik. Dalam desain ini, lensa miniatur yang dicetak pada ujung serat digunakan untuk memfokuskan dan mengumpulkan atau menggabungkan cahaya yang dipancarkan dan diterima oleh kristal laser. Untuk meningkatkan stabilitas sistem dan mengurangi efek turbulensi udara, para peneliti memasang serat pada dudukannya. Khususnya, kristal dan lensa cetak memiliki ukuran yang sangat kompak yaitu 5 × 5 cm².
Dengan terus-menerus merekam keluaran daya laser selama beberapa jam, para peneliti memverifikasi bahwa tidak ada penurunan kinerja optik cetak 3D dalam sistem dan hal ini tidak memengaruhi efektivitas operasional laser dalam jangka panjang. Selain itu, pengamatan optik di rongga laser menggunakan mikroskop elektron pemindaian tidak menunjukkan adanya kerusakan yang terlihat. Simon Angstenberger mencatat, "Kami menemukan bahwa optik cetak lebih stabil dibandingkan dengan kisi-kisi serat Bragg komersial yang kami gunakan, yang pada akhirnya membatasi daya maksimum kami."
Tim peneliti saat ini berupaya mengoptimalkan efisiensi optik cetak 3D. Mereka berencana untuk menggunakan serat optik yang lebih besar dengan lensa bentuk bebas yang dioptimalkan dan desain lensa asferis atau mencoba mencetak kombinasi lensa langsung pada serat untuk meningkatkan daya keluaran. Pada saat yang sama, mereka berencana untuk menggunakan berbagai jenis kristal dalam laser, yang akan memungkinkan penyesuaian dan optimalisasi karakteristik keluaran untuk aplikasi tertentu.
