Ces dernières années, la technologie d’impression 3D a été de plus en plus utilisée dans diverses industries, notamment dans la fabrication de précision et l’optique. Une équipe de chercheurs de l'Université de Stuttgart en Allemagne a récemment réalisé unepercée majeurelorsqu'ils ont démontré pour la première fois que des optiques miniatures basées sur des polymères imprimés en 3D sont capables de résister à la chaleur et à la puissance générées à l'intérieur d'un laser. Cette découverte ouvre la voie à la fabrication de sources laser peu coûteuses, compactes et stables, extrêmement importantes dans divers scénarios d'application, notamment dans les systèmes LIDAR utilisés dans les voitures autonomes.
Simon Angstenberger, chef de l'équipe de recherche de l'Institut de physique IV de l'Université de Stuttgart, a déclaré : « Grâce à la technologie d'impression 3D, nous avons créé des micro-optiques de haute qualité directement sur les fibres de verre à l'intérieur du laser, réduisant ainsi considérablement sa taille. C'est la première fois que de telles optiques imprimées en 3D sont utilisées dans un véritable laser, démontrant pleinement leur seuil élevé de tolérance aux dommages et leur stabilité.
Dans la revue Optics Letters, l'équipe décrit en détail comment elle a imprimé en 3D la micro-optique directement sur la fibre optique, combinant ainsi étroitement la fibre avec le cristal laser dans un seul oscillateur laser. Le laser hybride a pu fonctionner de manière stable à 1 063,4 nm avec une puissance de sortie de plus de 20 mW et une puissance de sortie maximale de 37 mW.
Le nouveau laser combine les avantages de compacité, de robustesse et de faible coût des lasers à fibre avec les avantages des lasers à semi-conducteurs à base de cristaux, qui présentent une large gamme de caractéristiques de performance telles que différentes puissances et couleurs. La conception du laser couplé à une fibre utilisant une lentille imprimée en 3D est illustrée à la figure 1.
Simon Angstenberger note : « Jusqu'à présent, les optiques imprimées en 3D ont été utilisées principalement dans des scénarios à faible consommation, tels que l'endoscopie. Cependant, nous démontrons le potentiel de ces technologies pour des applications à haute puissance, telles que la photolithographie et le marquage laser. Nous montrons que ces micro-optiques 3D imprimées directement sur des fibres optiques peuvent concentrer de grandes quantités de lumière en un seul point, ce qui est d'une grande valeur dans les applications médicales, telles que la destruction précise des cellules cancéreuses.
Fabriquer des lentilles microscopiques directement sur des fibres optiques
L'Institut de physique IV de l'Université de Stuttgart possède une vaste expérience de recherche dans le domaine de la micro-optique imprimée en 3D, avec une expertise particulière dans l'impression directe sur fibres optiques. Ils utilisent une méthode d'impression 3D appelée « polymérisation à deux photons », dans laquelle un laser infrarouge est focalisé sur une résine photosensible sensible aux UV.
Dans la zone focale du laser, deux photons infrarouges sont absorbés en même temps, ce qui améliore la résistance aux UV. En déplaçant le point focal, plusieurs formes peuvent être créées avec une grande précision. Cette technologie permet non seulement la fabrication d'optiques miniatures mais également de nouvelles fonctions telles que la création d'éléments optiques de forme libre ou de systèmes de lentilles complexes.
Ces composants imprimés en 3D sont constitués de polymères et nous ne savions pas s'ils seraient capables de résister aux grandes quantités de chaleur et de puissance optique générées dans la cavité laser", explique Simon Angstenberger. Cependant, il a été constaté plus tard qu'aucun dommage n'avait été observé. sur les lentilles même après une utilisation prolongée du laser pendant plusieurs heures, ce qui prouve leur extrêmement grande stabilité.
Dans cette dernière étude, les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D fabriquée par Nanoscribe pour fabriquer des lentilles d'un diamètre de 0,25 mm et d'une hauteur de 80 μm à l'extrémité de fibres optiques de même diamètre au moyen de deux- polymérisation photonique (Fig. 2). Le processus consiste à concevoir l'optique, à insérer la fibre dans l'imprimante 3D, puis à imprimer avec précision la microstructure à l'extrémité de la fibre, ce qui nécessite un haut degré de précision dans l'alignement des fibres imprimées et dans l'impression elle-même.
Création du laser hybride
Une fois l’impression 3D terminée, l’équipe a commencé à assembler le laser et la cavité laser. Contrairement aux cavités laser traditionnelles qui utilisent des miroirs volumineux et coûteux, ils ont utilisé des fibres pour faire partie de la cavité, créant ainsi un laser hybride fibre-cristal unique. Dans cette conception, des lentilles miniatures imprimées à l'extrémité de la fibre sont utilisées pour focaliser et collecter ou coupler la lumière émise et reçue par le cristal laser. Pour améliorer la stabilité du système et réduire les effets de la turbulence de l'air, les chercheurs ont fixé la fibre sur un support. Notamment, le cristal et la lentille imprimée ont une taille très compacte de 5 × 5 cm².
En enregistrant en continu la puissance du laser pendant plusieurs heures, les chercheurs ont vérifié qu’il n’y avait aucune dégradation des performances de l’optique imprimée en 3D dans le système et que cela n’affectait pas l’efficacité opérationnelle à long terme du laser. De plus, l’observation de l’optique dans la cavité laser à l’aide d’un microscope électronique à balayage n’a révélé aucun dommage visible. Simon Angstenberger a noté : « Nous avons constaté que les optiques imprimées étaient plus stables que le réseau de Bragg à fibre commercial que nous avons utilisé, ce qui a finalement limité notre puissance maximale. »
L’équipe de recherche travaille actuellement à optimiser l’efficacité des optiques imprimées en 3D. Ils prévoient d'utiliser des fibres optiques plus grandes avec des conceptions optimisées de lentilles de forme libre et de lentilles asphériques ou d'essayer d'imprimer des combinaisons de lentilles directement sur la fibre pour augmenter la puissance de sortie. Dans le même temps, ils prévoient d’utiliser différents types de cristaux dans les lasers, ce qui permettra de personnaliser et d’optimiser les caractéristiques de sortie pour des applications spécifiques.
