Pour la première fois, des chercheurs ont montré que les micro-optiques à base de polymères imprimées en 3D peuvent résister aux niveaux de chaleur et de puissance qui se produisent à l’intérieur d’un laser. Cette avancée permet d'obtenir des sources laser peu coûteuses, compactes et stables qui seraient utiles dans diverses applications, y compris les systèmes lidar utilisés pour les véhicules autonomes.
"Nous avons considérablement réduit la taille d'un laser en utilisant l'impression 3D pour fabriquer des micro-optiques de haute qualité directement sur les fibres de verre utilisées à l'intérieur des lasers", a déclaré Simon Angstenberger, chef de l'équipe de recherche du 4ème Institut de physique de l'Université de Stuttgart en Allemagne. "Il s'agit de la première implémentation de telles optiques imprimées en 3D dans un laser réel, mettant en évidence leur seuil de dommage élevé et leur stabilité."
Dans la revue Lettres d'Optique , les chercheurs décrivent comment ils ont imprimé en 3D des optiques à micro-échelle directement sur des fibres optiques pour combiner les fibres et les cristaux laser à l'intérieur d'un seul oscillateur laser de manière compacte. Le laser hybride résultant présentait un fonctionnement stable à des puissances de sortie supérieures à 20 mW à 1 063,4 nm et avait une puissance de sortie maximale de 37 mW.
Le nouveau laser combine la compacité, la robustesse et le faible coût des lasers à fibre avec les avantages des lasers à solide à base de cristaux, qui peuvent avoir une large gamme de propriétés telles que différentes puissances et couleurs.
"Jusqu'à présent, les optiques imprimées en 3D étaient principalement utilisées pour des applications à faible consommation telles que l'endoscopie", a déclaré Angstenberger. "La possibilité de les utiliser avec des applications à forte puissance pourrait être utile pour la lithographie et le marquage laser, par exemple. Nous avons montré que ces micro-optiques 3D imprimées sur des fibres peuvent être utilisées pour concentrer de grandes quantités de lumière vers un seul point, ce qui pourrait être utile pour des applications médicales telles que la destruction précise des tissus cancéreux."
Le 4e Institut de physique de l’Université de Stuttgart développe depuis longtemps des micro-optiques imprimées en 3D, notamment la possibilité de les imprimer directement sur des fibres. Ils utilisent une approche d'impression 3D connue sous le nom de polymérisation à deux photons, qui concentre un laser infrarouge dans une résine photosensible sensible aux UV.
Dans la région focale du laser, deux photons infrarouges seront absorbés simultanément, ce qui renforcera la résistance aux UV. Déplacer la mise au point permet de créer diverses formes avec une grande précision. Cette méthode peut être utilisée pour créer des optiques miniaturisées et permet également de nouvelles fonctionnalités telles que la création d'optiques de forme libre ou de systèmes de lentilles complexes.
"Étant donné que ces éléments imprimés en 3D sont constitués de polymères, il n'était pas clair s'ils pouvaient résister à la charge thermique et à la puissance optique importantes qui se produisent à l'intérieur d'une cavité laser", a déclaré Angstenberger. "Nous avons constaté qu'ils sont étonnamment stables et nous n'avons pu observer aucun dommage sur les lentilles, même après plusieurs heures d'utilisation du laser."
Pour la nouvelle 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 microns à l'extrémité d'une fibre du même diamètre par polymérisation à deux photons.
Cela impliquait de concevoir un élément optique avec un logiciel commercial, d'insérer la fibre dans l'imprimante 3D, puis d'imprimer la petite structure à l'extrémité de la fibre. Ce processus doit être extrêmement précis en termes d'alignement de l'impression sur la fibre et de précision de l'impression elle-même.
Une fois l’impression terminée, les chercheurs ont assemblé le laser et la cavité laser. Plutôt que d’utiliser un cristal à l’intérieur d’une cavité laser constituée de miroirs volumineux et coûteux, ils ont utilisé des fibres pour faire partie de la cavité, créant ainsi un laser hybride fibre-cristal. Les lentilles imprimées à l'extrémité des fibres focalisent et collectent (ou couplent) la lumière dans et hors du cristal laser.
Ils ont ensuite collé les fibres dans un support pour rendre le système laser plus stable et moins sensible aux turbulences de l'air. Le cristal et les lentilles imprimées mesuraient seulement 5 X 5 cm 2 .
L'enregistrement continu de la puissance du laser pendant plusieurs heures a permis de vérifier que les optiques imprimées à l'intérieur du système ne se détérioraient pas et n'affectaient pas les propriétés à long terme du laser. De plus, les images au microscope électronique à balayage de l’optique après utilisation dans la cavité laser n’ont montré aucun dommage visible. "Fait intéressant, 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 fini par limiter notre puissance maximale", a déclaré Angstenberger.
Les chercheurs travaillent désormais à optimiser l’efficacité de l’optique imprimée. Des fibres plus grandes avec des conceptions de lentilles asphériques et de forme libre optimisées ou une combinaison de lentilles imprimées directement sur la fibre pourraient contribuer à améliorer la puissance de sortie. Ils aimeraient également présenter différents cristaux dans le laser, ce qui pourrait permettre de personnaliser la sortie pour des applications spécifiques.
Plus d'informations : Simon Angstenberger et al, Laser hybride fibre-solide avec lentilles intracavité imprimées en 3D, Optics Letters (2023). DOI :10.1364/OL.504940
Informations sur le journal : Lettres d'optique
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