科学家借助新型高速3D打印机制造先进的光子晶体光纤

时间：2021-03-02 08:52 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网3月2日讯，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员开发了一种3D打印光子晶体光纤的新方法-一种特殊类型的光纤。该团队为该项目构建了基于SLA的专用3D打印机，该打印机使科学家能够使用以前不可能的内部几何形状来定制其光纤。就像任何基于树脂的系统一样，它通过将光敏聚合物逐层固化成固体零件来工作，不同之处在于它可以“前所未有的便捷性和精确性”，同时以比传统制造工艺高得多的速度制造纤维结构。

研究合作者Andrea Bertoncini和Carlo Liberale在实验室中进行3D打印光纤。图片来自KAUST。
什么是光子晶体光纤？
光纤技术能够以光速传输信息。因此，它是包括医疗成像设备，军事通信系统，当然还有高速互联网在内的一整套现代技术背后的推动力。光子晶体光纤（PCF）是1996年在巴斯大学出现的光纤的一个子类。PCF的特殊之处在于它们具有沿光纤整个长度延伸的多个内部通道。这些通道就像近乎完美的镜子一样，改善了光纤的光捕获能力和长传播特性。这最终意味着更快的传输速率和信息损失的减少。
该研究的合著者安德里亚·伯顿奇尼（Andrea Bertoncini）解释说：“光子晶体光纤使您可以将光限制在非常狭窄的空间中，从而增加了光学相互作用。这使光纤能够大大减少实现特定光学功能（如偏振控制或波长分离）所需的传播距离。”

各种3D打印PCF的横截面。图片来自KAUST。
使用3D打印修改光学特性
调整PCF光学特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，该阶段通常是从熔融石英玻璃池中拉出纤维。可能影响纤维性能的因素包括中空室的大小和形状，以及横截面图案本身。
由于光纤的直径通常为毫米的几分之一，因此通常通常先按比例放大版本绘制出图案。在此工作的同时，由于诸如重力和表面张力之类的因素，它限制了可能的几何形状数量。
“光子晶体光纤为科学家提供了一种“调节旋钮”，以通过几何设计来控制导光性能。”贝顿奇尼补充道。 “但是，由于用常规方法难以产生任意的孔图案，人们没有充分利用这些性能。令人惊讶的是，现在，通过我们的方法，您可以制造它们。您可以设计3D模型，然后进行打印，就是这样。”

专门开发的KAUST 3D打印机使用紫外线激光制造光纤。图片来自KAUST。

通过3D打印PCF，KAUST团队克服了这些几何限制。自定义横截面面积直接编程到纤维层本身中，完全不需要使用按比例放大的版本。根据Bertoncini的说法，这种新颖的工艺还允许沿单根光纤制造多个横截面，而这在其他方面是不可能的。该技术可用于将光束分成单独的偏振分量，就像棱镜对白光的作用一样。当需要时，也可以使用多个横截面来改变光束的焦点，从而为高速，高度定制的光纤生产的全新方法铺平了道路。

显示集成到单个光纤中的多个横截面的示意图。图片来自KAUST。

光学应用的3D打印

光学设备的3D打印是增材制造领域的前沿领域。 Luxexcel是3D打印处方眼镜的专家，最近与波导制造商WaveOptics合作开发了具有增强现实（AR）功能的3D打印处方智能眼镜。即将面世的镜头模块将把Luxexcel的镜头与WaveOptics的波导和投光器结合在一起，以正常尺寸提供智能技术，并可以与现成的眼镜架集成在一起。
在其他地方，来自3D打印机OEM Nanoscribe和弗莱堡大学的工程师最近合作使用双光子聚合（2PP）进行3D打印高分辨率玻璃二氧化硅微结构。光学器件由称为“ Glassomer”的玻璃状树脂制成，其表面粗糙度仅为6纳米，远低于许多传统制造的玻璃部件中所见的40-200纳米。科学家认为，他们的3D打印工艺可用于生产下一代微光学器件，并在医学成像系统中具有潜在的应用前景。

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