科學(xué)家借助新型高速3D打印機(jī)制造先進(jìn)的光子晶體光纖

研究合作者Andrea Bertoncini和Carlo Liberale在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行3D打印光纖。圖片來(lái)自KAUST。
什么是光子晶體光纖?
光纖技術(shù)能夠以光速傳輸信息。因此,它是包括醫(yī)療成像設(shè)備,軍事通信系統(tǒng),當(dāng)然還有高速互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的一整套現(xiàn)代技術(shù)背后的推動(dòng)力。光子晶體光纖(PCF)是1996年在巴斯大學(xué)出現(xiàn)的光纖的一個(gè)子類。PCF的特殊之處在于它們具有沿光纖整個(gè)長(zhǎng)度延伸的多個(gè)內(nèi)部通道。這些通道就像近乎完美的鏡子一樣,改善了光纖的光捕獲能力和長(zhǎng)傳播特性。這最終意味著更快的傳輸速率和信息損失的減少。
該研究的合著者安德里亞·伯頓奇尼(Andrea Bertoncini)解釋說(shuō):“光子晶體光纖使您可以將光限制在非常狹窄的空間中,從而增加了光學(xué)相互作用。這使光纖能夠大大減少實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)功能(如偏振控制或波長(zhǎng)分離)所需的傳播距離!

各種3D打印PCF的橫截面。圖片來(lái)自KAUST。
使用3D打印修改光學(xué)特性
調(diào)整PCF光學(xué)特性的主要方法是修改其橫截面幾何形狀。這是在初始制造階段完成的,該階段通常是從熔融石英玻璃池中拉出纖維?赡苡绊懤w維性能的因素包括中空室的大小和形狀,以及橫截面圖案本身。
由于光纖的直徑通常為毫米的幾分之一,因此通常通常先按比例放大版本繪制出圖案。在此工作的同時(shí),由于諸如重力和表面張力之類的因素,它限制了可能的幾何形狀數(shù)量。
“光子晶體光纖為科學(xué)家提供了一種“調(diào)節(jié)旋鈕”,以通過(guò)幾何設(shè)計(jì)來(lái)控制導(dǎo)光性能!必愵D奇尼補(bǔ)充道。 “但是,由于用常規(guī)方法難以產(chǎn)生任意的孔圖案,人們沒(méi)有充分利用這些性能。令人驚訝的是,現(xiàn)在,通過(guò)我們的方法,您可以制造它們。您可以設(shè)計(jì)3D模型,然后進(jìn)行打印,就是這樣!

專門開(kāi)發(fā)的KAUST 3D打印機(jī)使用紫外線激光制造光纖。圖片來(lái)自KAUST。
通過(guò)3D打印PCF,KAUST團(tuán)隊(duì)克服了這些幾何限制。自定義橫截面面積直接編程到纖維層本身中,完全不需要使用按比例放大的版本。根據(jù)Bertoncini的說(shuō)法,這種新穎的工藝還允許沿單根光纖制造多個(gè)橫截面,而這在其他方面是不可能的。該技術(shù)可用于將光束分成單獨(dú)的偏振分量,就像棱鏡對(duì)白光的作用一樣。當(dāng)需要時(shí),也可以使用多個(gè)橫截面來(lái)改變光束的焦點(diǎn),從而為高速,高度定制的光纖生產(chǎn)的全新方法鋪平了道路。

顯示集成到單個(gè)光纖中的多個(gè)橫截面的示意圖。圖片來(lái)自KAUST。
光學(xué)應(yīng)用的3D打印
光學(xué)設(shè)備的3D打印是增材制造領(lǐng)域的前沿領(lǐng)域。 Luxexcel是3D打印處方眼鏡的專家,最近與波導(dǎo)制造商WaveOptics合作開(kāi)發(fā)了具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)功能的3D打印處方智能眼鏡。即將面世的鏡頭模塊將把Luxexcel的鏡頭與WaveOptics的波導(dǎo)和投光器結(jié)合在一起,以正常尺寸提供智能技術(shù),并可以與現(xiàn)成的眼鏡架集成在一起。
在其他地方,來(lái)自3D打印機(jī)OEM Nanoscribe和弗萊堡大學(xué)的工程師最近合作使用雙光子聚合(2PP)進(jìn)行3D打印高分辨率玻璃二氧化硅微結(jié)構(gòu)。光學(xué)器件由稱為“ Glassomer”的玻璃狀樹(shù)脂制成,其表面粗糙度僅為6納米,遠(yuǎn)低于許多傳統(tǒng)制造的玻璃部件中所見(jiàn)的40-200納米?茖W(xué)家認(rèn)為,他們的3D打印工藝可用于生產(chǎn)下一代微光學(xué)器件,并在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。
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