科學家借助新型高速3D打印機制造先進的光子晶體光纖
時間：2021-03-02 08:52 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網3月2日訊，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員開發了一種3D打印光子晶體光纖的新方法-一種特殊類型的光纖。該團隊為該項目構建了基于SLA的專用3D打印機，該打印機使科學家能夠使用以前不可能的內部幾何形狀來定制其光纖。就像任何基于樹脂的系統一樣，它通過將光敏聚合物逐層固化成固體零件來工作，不同之處在于它可以“前所未有的便捷性和精確性”，同時以比傳統制造工藝高得多的速度制造纖維結構。
研究合作者Andrea Bertoncini和Carlo Liberale在實驗室中進行3D打印光纖。圖片來自KAUST。
什么是光子晶體光纖？
光纖技術能夠以光速傳輸信息。因此，它是包括醫療成像設備，軍事通信系統，當然還有高速互聯網在內的一整套現代技術背后的推動力。光子晶體光纖（PCF）是1996年在巴斯大學出現的光纖的一個子類。PCF的特殊之處在于它們具有沿光纖整個長度延伸的多個內部通道。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：“光子晶體光纖使您可以將光限制在非常狹窄的空間中，從而增加了光學相互作用。這使光纖能夠大大減少實現特定光學功能（如偏振控制或波長分離）所需的傳播距離。”
各種3D打印PCF的橫截面。圖片來自KAUST。
使用3D打印修改光學特性
調整PCF光學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。可能影響纖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，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量。
“光子晶體光纖為科學家提供了一種“調節旋鈕”，以通過幾何設計來控制導光性能。”貝頓奇尼補充道。 “但是，由于用常規方法難以產生任意的孔圖案，人們沒有充分利用這些性能。令人驚訝的是，現在，通過我們的方法，您可以制造它們。您可以設計3D模型，然后進行打印，就是這樣。”
顯示集成到單個光纖中的多個橫截面的示意圖。圖片來自KAUST。
研究合作者Andrea Bertoncini和Carlo Liberale在實驗室中進行3D打印光纖。圖片來自KAUST。
什么是光子晶體光纖？
光纖技術能夠以光速傳輸信息。因此，它是包括醫療成像設備，軍事通信系統，當然還有高速互聯網在內的一整套現代技術背后的推動力。光子晶體光纖（PCF）是1996年在巴斯大學出現的光纖的一個子類。PCF的特殊之處在于它們具有沿光纖整個長度延伸的多個內部通道。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：“光子晶體光纖使您可以將光限制在非常狹窄的空間中，從而增加了光學相互作用。這使光纖能夠大大減少實現特定光學功能（如偏振控制或波長分離）所需的傳播距離。”
各種3D打印PCF的橫截面。圖片來自KAUST。
使用3D打印修改光學特性
調整PCF光學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。可能影響纖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，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量。
“光子晶體光纖為科學家提供了一種“調節旋鈕”，以通過幾何設計來控制導光性能。”貝頓奇尼補充道。 “但是，由于用常規方法難以產生任意的孔圖案，人們沒有充分利用這些性能。令人驚訝的是，現在，通過我們的方法，您可以制造它們。您可以設計3D模型，然后進行打印，就是這樣。”
專門開發的KAUST 3D打印機使用紫外線激光制造光纖。圖片來自KAUST。
通過3D打印PCF，KAUST團隊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Bertoncini的說法，這種新穎的工藝還允許沿單根光纖制造多個橫截面，而這在其他方面是不可能的。該技術可用于將光束分成單獨的偏振分量，就像棱鏡對白光的作用一樣。當需要時，也可以使用多個橫截面來改變光束的焦點，從而為高速，高度定制的光纖生產的全新方法鋪平了道路。
顯示集成到單個光纖中的多個橫截面的示意圖。圖片來自KAUST。
光學應用的3D打印
光學設備的3D打印是增材制造領域的前沿領域。 Luxexcel是3D打印處方眼鏡的專家，最近與波導制造商WaveOptics合作開發了具有增強現實（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的波導和投光器結合在一起，以正常尺寸提供智能技術，并可以與現成的眼鏡架集成在一起。
在其他地方，來自3D打印機OEM Nanoscribe和弗萊堡大學的工程師最近合作使用雙光子聚合（2PP）進行3D打印高分辨率玻璃二氧化硅微結構。光學器件由稱為“ Glassomer”的玻璃狀樹脂制成，其表面粗糙度僅為6納米，遠低于許多傳統制造的玻璃部件中所見的40-200納米。科學家認為，他們的3D打印工藝可用于生產下一代微光學器件，并在醫學成像系統中具有潛在的應用前景。
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