研究

科学家利用新型高速3D打印机推进光纤技术

研究人员来自阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)开发了一种新的3D印刷光子晶体纤维方法 - 一种特殊类型的光纤。

该团队为该项目构建了一个专门的基于SLA的3D打印机,一个支持科学家与以前不可能的内部几何形状一起定制其光纤的三个3D打印机。与任何基于树脂的系统相似,它通过将光聚合物固化成固体零件层,除了它授予“前所未有的易于和精确度”,同时制造比传统制造工艺更高的速度更高的速度。

研究实验室中的CONREA Bertoncini和Carlo Libale 3D印刷光纤。照片通过KAUST。
研究实验室中的CONREA Bertoncini和Carlo Libale 3D印刷光纤。照片通过KAUST。

什么是光子晶体纤维?

光纤技术能够以光速传输信息。因此,它是一整套现代技术背后的驱动力,包括医疗成像设备、军事通信系统,当然还有高速互联网。

光子晶体纤维(PCF)是光纤的子类,其出现在英国巴斯大学1996年.PCFS特别特殊,其中它们具有沿着光纤的整个长度运行的多个内部通道。通道采用近乎完美的镜子,改善纤维的光捕获和长传播性能。这最终意味着更快的传输速率和信息丢失的减少。

“光子晶体纤维允许您在非常紧凑的空间内限制光线,增加光学互动,”该研究的共同作者和reabertoncini解释道。“这使得纤维能够大量地减少实现特定光学功能所需的传播距离,如偏振控制或波长分裂。”

各种3D打印PCFs的横截面积。通过KAUST形象。
各种3D打印PCFs的横截面积。通过KAUST形象。

使用3D打印来修改光学特性

调整PCF光学属性的主要方法是修改其横截面几何形状。这是在初始制造阶段完成的,其中纤维通常从熔融的二氧化硅玻璃库中抽出。可以影响光纤性质的因素包括空腔的尺寸和形状,以及横截面图案本身。

由于光纤的直径通常是毫米的一小部分,因此通常首先在纤维的缩放版本中抽出图案。虽然这有效,但它引入了由于诸如重力和表面张力等因素而导致的几何形状的限制。

“光子晶体纤维为科学家提供了一种‘调谐旋钮’,通过几何设计来控制光导特性,”Bertoncini补充道。“然而,由于传统方法难以生成任意井眼模式,人们无法充分利用这些特性。令人惊讶的是,现在,用我们的方法,你可以制造它们。你设计出3D模型,然后打印出来,就是这样。”

专门开发的KAUST 3D打印机使用UV激光来制造光纤。照片通过KAUST。
专门开发的KAUST 3D打印机使用UV激光来制造光纤。照片通过KAUST。

通过3D打印PCF,kaust团队能够克服这些几何限制。自定义横截面积直接编程到光纤层本身中,无需完全使用缩放版本。

根据Bertoncini,新方法还允许沿着单个光纤制造的多个横截面积 - 否则是不可能的特征。该技术可用于将光束分成其各个偏振分量,就像棱镜一样,棱镜呈白色光线。多个横截面区域也可用于改变光束的焦点,如所需,为全新的高速,高度定制光纤生产铺平了途径。

该研究的进一步细节可在题为“基于光子晶体纤维设计的三维印刷波导,复杂光纤终端光子光子”。该书由安德里亚·贝尔通西尼(Andrea Bertoncini)和卡洛·利伯莱莱(Carlo Liberale)合著。

显示多个横截面区域集成到单个光纤的示意图。通过KAUST形象。
显示多个横截面区域集成到单个光纤的示意图。通过KAUST形象。

3D打印的光学应用

光学器件的3D打印是添加剂制造中的尖端扇区。Luxexcel.是3D印刷处方镜片的专家,最近与波导制造商合作Waveoptics.3 d打印增强现实的处方智能眼镜(AR)功能。即将到来的镜头模块将与Luxexcel的波导和轻型投影仪相结合,在正常形状因子中提供智能技术,可以与现成的眼镜框架集成。

在其他地方,从3D打印机OEM的工程师Nanoscribe弗赖堡大学最近合作3D打印高分辨率玻璃二氧化硅微结构使用two-photon-polymerization(2页)。这种光学元件由一种名为“Glassomer”的玻璃状树脂制成,表面粗糙度只有6纳米,远低于许多传统制造的玻璃部件的40-200纳米。科学家们相信,他们的3D打印工艺可以用于生产下一代微型光学器件,在医学成像系统中具有潜在的应用前景。

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特色图像显示一组高度自定义的3D印刷光纤。照片通过KAUST。