研究人員首次證明，3D打印的聚合物微光學器件可以承受激光器內部產生的熱量和功率水平。這一進步使得廉價、緊湊和穩定的激光源成為可能，可用于多種應用，包括用于自動駕駛汽車的激光雷達系統。

“我們通過使用 3D 打印直接在激光器內部使用的玻璃纖維上制造高質量的微光學器件，顯著減小了激光器的尺寸，”。 “這是此類 3D 打印光學器件首次在現實世界的激光器中實現，凸顯了它們的高損傷閾值和穩定性。”

在 Optica Publishing Group 期刊Optics Letters中，研究人員描述了他們如何將微型光學器件直接 3D 打印到光纖上，從而以緊湊的方式將光纖和激光晶體組合在單個激光振蕩器內。所得混合激光器在1063.4 nm處穩定工作，輸出功率超過20 mW，最大輸出功率為37 mW。

新型激光器結合了光纖激光器的緊湊性、堅固性和低成本以及晶體固態激光器的優點，可以具有多種特性，例如不同的功率和顏色。

“到目前為止，3D 打印光學器件主要用于內窺鏡等低功率應用，”Angstenberger 說。 “例如，將它們用于高功率應用的能力對于光刻和激光打標可能很有用。我們證明，這些打印在纖維上的 3D 微光學器件可用于將大量光聚焦到一個點，這對于精確破壞癌組織等醫療應用可能很有用。”

帶走熱量

斯圖加特大學第四物理研究所在開發 3D 打印微光學器件方面擁有悠久的歷史，尤其是直接在纖維上打印它們的能力。他們使用一種稱為雙光子聚合的 3D 打印方法，將紅外激光聚焦到紫外敏感光刻膠中。在激光的聚焦區域，兩個紅外光子將被同時吸收，從而使紫外線抗蝕劑變硬。移動焦點可以高精度地創建各種形狀。這種方法可用于創建微型光學器件，還可以實現新穎的功能，例如創建自由形狀光學器件或復雜的透鏡系統。

“由于這些 3D 打印元件由聚合物制成，目前尚不清楚它們是否能夠承受激光腔內產生的大量熱負荷和光功率，”Angstenberger 說。 “我們發現它們非常穩定，即使在運行激光幾個小時后，我們也無法觀察到鏡片上有任何損壞。”

在這項新研究中，研究人員使用 Nanoscribe 制造的 3D 打印機，通過雙光子聚合在相同直徑的光纖末端制造直徑 0.25 毫米、高度 80 微米的透鏡。這涉及到使用商業軟件設計光學元件，將光纖插入 3D 打印機，然后在光纖末端打印小型結構。在打印與纖維的對齊以及打印本身的準確性方面，該過程必須極其精確。

創建混合激光器

打印完成后，研究人員組裝了激光器和激光腔。他們沒有在由笨重且昂貴的鏡子制成的激光腔內使用晶體，而是使用光纖構成腔的一部分，從而創建了混合光纖晶體激光器。打印在光纖末端的透鏡聚焦并收集(或耦合)進出激光晶體的光。然后，他們將光纖粘合到支架上，以使激光系統更加穩定并且不易受到空氣湍流的影響。水晶和印刷鏡片的尺寸僅為 5 X 5 厘米2。

在幾個小時內連續記錄激光功率，驗證了系統內的印刷光學器件不會惡化或影響激光器的長期性能。此外，在激光腔中使用后光學器件的掃描電子顯微鏡圖像沒有顯示任何可見的損壞。 “有趣的是，我們發現印刷光學器件比我們使用的商用光纖布拉格光柵更穩定，這最終限制了我們的最大功率，”Angstenberger 說。

研究人員現在正在努力優化印刷光學器件的效率。具有優化的自由曲面和非球面透鏡設計的較大光纖或直接印刷到光纖上的透鏡組合有助于提高輸出功率。他們還想展示激光器中的不同晶體，這可以允許針對特定應用定制輸出。