研究人员3D打印微型光学元件 对自动驾驶激光雷达系统有益

盖世汽车讯 据外媒报道，德国斯图加特大学的研究人员首次证明，基于聚合物的3D打印微型光学元件可以承受激光器的热度和功率，这一研究进展可实现廉价、紧凑且稳定的激光源，对自动驾驶激光雷达系统等各种应用都有益处。

3D打印微型光学元件（图片来源：斯图加特大学）

斯图加特大学第四物理研究所的研究团队负责人Simon Angstenberger表示：“我们通过3D打印技术，直接在激光器内部使用的玻璃纤维上打造高质量微型光学元件，从而显著缩小了激光器的尺寸。这是首次在现实激光器中打造此类3D打印光学元件，而且其显示出高损伤阈值和高稳定性。”

在期刊《Optics Letters》上，研究人员描述了他们如何直接在光纤上3D打印微型光学元件，从而在单个激光振荡器中以紧凑的方式将光纤和激光晶体结合起来。最后合成的激光器可以在波长为1063.4 nm范围内稳定工作，输出功率超过20 mW，最大输出功率为37mW。

新款激光器结合了光纤激光器的紧凑、强固且低成本优势以及晶体固态激光器的优点，具有不同的功率和颜色等各种特性。

承受热度

斯图加特大学第四物理研究所在研发3D打印微型光学元件，特别是直接在光纤上打印此类元件方面有着悠久的历史。他们采用一种名为双光子聚合的3D打印法，将红外激光聚焦到对紫外线敏感的光刻胶上。在激光器的焦点区域，两个红外光子能够同时被吸收，从而增强抗紫外线的能力。移动焦点则可以高精度地打造各种形状。采用此种方法还能够打造微型光学元件，实现新功能，如打造形式自由的光学元件或复杂的透镜系统。

Angstenberger表示：“因为此类3D打印的元件由聚合物制成，目前不清楚他们是否可以承受激光腔内产生的大量热负荷和光功率。不过，我们发现此类3D打印元件非常稳定，即使使用几个小时的激光后，也观察不到透镜上有任何损伤。”

在该项新研究中，研究人员采用了Nanoscribe制成的3D打印机，通过双光子聚合法，在直径相同的光纤末端打造直径为0.25mm、高度为80微米的透镜。在该过程需要采用商业软件设计的一个光学元件，将光线插入到3D打印机中，然后在光纤末端打印出微小结构。该过程必须非常精确，以让打印和光纤匹配，保证打印准确。

打造一个混合激光器

在打印完成之后，研究人员组装了激光器和激光器腔。他们没有在由笨重而昂贵的镜子制成的激光腔中采用晶体，而是用光纤制成激光腔的一部分，打造了一个混合光纤-晶体激光器。在光纤终端打印出来的透镜聚焦并搜集（或耦合）进出激光晶体的光线。然后，他们将光纤粘在一个支架上，让激光系统更稳定，更不易受到气流的影响。该款晶体与打印好的透镜的尺寸仅为5X5平方厘米。

研究人员连续记录了几个小时的激光功率，验证了系统内部的打印光学元件没有变差或者影响到激光器的长久性能。此外，扫描了在激光腔中使用后的光学元件发现，光学扫描电子显微镜图像上没有显示其有任何可见的损伤。Angstenberger表示:“有趣的是，我们发现打印光学元件比我们使用的商用光纤Bragg光栅更稳定，后者限制了最大功率。”

目前，研究人员正致力于优化打印光学元件的效率。配备优化后的自由曲面和非球面透镜设计、尺寸更大的光纤，或直接在光纤上打印的透镜组合，可以帮助提高输出功率。研究人员还想在激光器中演示不同的晶体，从而为不同的应用定制输出功率。