Des chercheurs démontrent la viabilité des micro-optiques imprimées en 3D pour les lasers

Pour la première fois, des chercheurs ont prouvé que les micro-optiques en polymère imprimées en 3D peuvent résister à la chaleur et aux niveaux de puissance présents à l’intérieur d’un laser. Cette découverte prépare le terrain à des sources laser compactes, stables et peu coûteuses, utiles dans diverses applications, notamment les systèmes lidar utilisés pour les véhicules autonomes.

Simon Angstenberger, responsable de l’équipe de recherche du 4ème Institut de Physique de l’Université de Stuttgart en Allemagne, a précisé : « 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 optiques utilisées à l’intérieur des lasers. » Il ajoute : « C’est la première mise en œuvre de telles optiques imprimées en 3D dans un laser réel, soulignant leur seuil de dommage élevé et leur stabilité. »

Un laser hybride compact et performant

Dans la revue Optics Letters, les chercheurs décrivent comment ils ont imprimé en 3D des optiques à l’échelle microscopique directement sur des fibres optiques pour combiner fibres et cristaux laser à l’intérieur d’un seul oscillateur laser de manière compacte. Le laser hybride résultant a fonctionné de manière stable avec des puissances de sortie supérieures à 20 mW à 1063,4 nm et une puissance de sortie maximale de 37 mW.

Le nouveau laser combine la compacité, la robustesse et le faible coût des lasers à base de fibres avec les avantages des lasers à solide à base de cristaux, qui peuvent avoir un large éventail de propriétés, telles que différentes puissances et couleurs.

Des applications potentielles variées

« Jusqu’à présent, les optiques imprimées en 3D ont principalement été utilisées pour des applications de faible puissance, comme l’endoscopie. La possibilité de les utiliser avec des applications de haute 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 focaliser de grandes quantités de lumière en un seul point, ce qui pourrait être utile pour des applications médicales telles que la destruction précise de tissus cancéreux. » explique Simon Angstenberger.

Résistance à la chaleur et à la puissance optique

Le 4ème Institut de Physique de l’Université de Stuttgart possède une longue histoire dans le développement de micro-optiques imprimées en 3D, notamment la capacité de les imprimer directement sur des fibres. Ils utilisent une approche d’impression 3D appelée polymérisation à deux photons, qui concentre un laser infrarouge dans une photorésine sensible aux UV.

Dans la région focale du laser, deux photons infrarouges sont absorbés simultanément, ce qui durcit la résine UV. Déplacer le point focal permet de créer différentes formes avec une grande précision. Cette méthode peut être utilisée pour créer des optiques miniaturisées et permet également des fonctionnalités nouvelles, telles que la création d’optiques de forme libre ou de systèmes de lentilles complexes.

Simon Angstenberger précise : « Comme ces éléments imprimés en 3D sont constitués de polymères, il n’était pas certain qu’ils puissent résister à la quantité importante de charge thermique et de puissance optique qui se produit à l’intérieur d’une cavité laser. Nous avons constaté qu’ils sont étonnamment stables et nous n’avons pas pu observer de dommages sur les lentilles, même après plusieurs heures de fonctionnement du laser. »

En synthèse

Les chercheurs travaillent actuellement à l’optimisation de l’efficacité des optiques imprimées. 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 aider à améliorer la puissance de sortie. Ils aimeraient également démontrer l’utilisation de différents cristaux dans le laser, ce qui pourrait permettre d’adapter la sortie pour des applications spécifiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la polymérisation à deux photons ?

La polymérisation à deux photons est une technique d’impression 3D qui utilise un laser infrarouge focalisé dans une photorésine sensible aux UV. Elle permet de créer des structures complexes avec une grande précision.

Quels sont les avantages des lasers hybrides ?

Les lasers hybrides combinent la compacité, la robustesse et le faible coût des lasers à base de fibres avec les avantages des lasers à solide à base de cristaux, offrant un large éventail de propriétés, telles que différentes puissances et couleurs.

Quelles sont les applications potentielles des micro-optiques imprimées en 3D ?

Les micro-optiques imprimées en 3D peuvent être utilisées dans des applications de faible puissance comme l’endoscopie, mais aussi dans des applications de haute puissance telles que la lithographie, le marquage laser et la destruction précise de tissus cancéreux en médecine.

Comment les chercheurs ont testé la résistance des micro-optiques imprimées en 3D ?

Les chercheurs ont testé la résistance des micro-optiques en les intégrant dans un laser et en observant leur comportement après plusieurs heures de fonctionnement. Ils n’ont constaté aucun dommage sur les lentilles.

Quelles sont les prochaines étapes pour améliorer les optiques imprimées en 3D ?

Les chercheurs travaillent à l’optimisation de l’efficacité des optiques imprimées, en utilisant des fibres plus grandes et des conceptions de lentilles optimisées. Ils souhaitent également démontrer l’utilisation de différents cristaux dans le laser pour adapter la sortie à des applications spécifiques.

Références

Article : « Quantum spin nematic phase in a square-lattice iridate » – DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4