Microgestructureerde optische vezels vinden hun 3D-geprinte groef

Kleinschalige optische apparaten die fotonen kunnen gebruiken voor informatieverwerking met hoge snelheid, kunnen met ongekend gemak en precisie worden vervaardigd met behulp van een bij KAUST ontwikkeld additive manufacturing-proces.

Glasvezel wordt conventioneel geproduceerd door dunne filamenten uit gesmolten silicaglas te trekken tot op microschaal. Door deze vezels te voorzien van lange, smalle holle kanalen, werd een nieuwe klasse van optische apparaten geïntroduceerd die “fotonische kristalvezels” worden genoemd. De periodieke rangschikking van luchtgaten in deze fotonische kristalvezels werken als bijna perfecte spiegels, waardoor het licht in hun centrale kern kan worden ingevangen en langdurig kan worden verspreid.

“Fotonische kristalvezels stellen je in staat om licht op te sluiten in zeer krappe ruimtes, waardoor de optische interactie toeneemt”, legt Andrea Bertoncini uit, een postdoc die samenwerkt met Carlo Liberale. “Hierdoor kunnen de vezels de voortplantingsafstand die nodig is om bepaalde optische functies te realiseren, zoals polarisatiecontrole of golflengtesplitsing, aanzienlijk verkleinen.”

Een manier die onderzoekers gebruiken om de optische eigenschappen van fotonische kristalvezels af te stemmen, is door hun geometrie in dwarsdoorsnede te variëren – door de grootte en vorm van de holle buizen te veranderen, of ze in fractale ontwerpen te rangschikken. Meestal worden deze patronen gemaakt door het tekenproces uit te voeren op opgeschaalde versies van de uiteindelijke vezel. Door de effecten van krachten zoals zwaartekracht en oppervlaktespanning zijn echter niet alle geometrieën mogelijk met deze methode.

Om dergelijke beperkingen te overwinnen, wendde de groep zich tot een zeer nauwkeurige driedimensionale (3D) afdruktechnologie. Met behulp van een laser om lichtgevoelige polymeren om te zetten in transparante vaste stoffen, bouwde het team laag voor laag fotonische kristalvezels op. Karakterisaties toonden aan dat deze techniek met succes het geometrische patroon van verschillende soorten microgestructureerde optische vezels kon repliceren met hogere snelheden dan conventionele fabricages.

Bertoncini legt uit dat het nieuwe proces het ook gemakkelijk maakt om meerdere fotonische eenheden met elkaar te combineren. Ze demonstreerden deze aanpak door 3D-printen van een reeks fotonische kristalvezelsegmenten die de polarisatiecomponenten van lichtbundels splitsen in afzonderlijke vezelkernen. Een op maat gemaakte taps toelopende verbinding tussen de straalsplitser en een conventionele glasvezel zorgde voor een efficiënte apparaatintegratie.

“Fotonische kristalvezels bieden wetenschappers een soort ‘afstemknop’ om lichtgeleidende eigenschappen te regelen door middel van geometrisch ontwerp”, zegt Bertoncini. “Mensen maakten echter niet volledig gebruik van deze eigenschappen omdat het moeilijk is om willekeurige gatenpatronen te produceren met conventionele methoden. Het verrassende is dat je ze nu met onze aanpak kunt fabriceren. Je ontwerpt het 3D-model, je print het , en dat is het.”