3D Printed Monolithic Optomechanical Chassis for an Unbalanced Field-Widened Interferometer

يمكن للضوء، عند تقسيمه وإعادة دمجه، أن يكشف عن أعمق أسرار الكون، من المسافة إلى نجم ما إلى وجود ذرة واحدة. تعتمد هذه الرقصة الدقيقة لموجات الضوء على أجهزة تسمى أجهزة التداخل (interferometers)، والتي تقيس الفروق الضئيلة في المسافة التي يقطعها الضوء. ولكي تعمل هذه الآلات، فإنها تحتاج إلى إطار يثبت المرايا والعدسات بسكون مطلق. فإذا تمدد الإطار ولو بجزء ضئيل من عرض شعرة واحدة بسبب ارتفاع درجة حرارة الغرفة، أو إذا اهتز نتيجة خطوة قدم عابرة، فإن القياس يفشل. لعقود من الزمن، بنى العلماء هذه الإطارات عن طريق ربط أجزاء معدنية ثقيلة ببعضها البعض، وهي طريقة موثوقة ولكنها ضخمة وصلبة. ومع تزايد الحاجة إلى أجهزة أصغر وأكثر حساسية — خاصة بالنسبة للتكنولوجيا الكمومية التي يمكن أن تُحدث ثورة في الحوسبة والاستشعار — يبحث المهندسون عن طريقة لبناء هذه الإطارات الدقيقة بشكل مختلف، ربما عن طريق طباعتها كقطعة واحدة صلبة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة واترلو خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال إنشاء هيكل مطبوع بالكامل لجهاز بصري معقد. وبدلاً من تجميع العديد من الأجزاء المعدنية المنفصلة، استخدموا ليزر عالي القدرة لصهر ودمج طبقات من سبيكة معدنية خاصة تسمى "إنفار 36" (Invar36)، لبناء هيكل الدعم بالكامل في عملية واحدة. وقد اختيرت هذه السبيكة لقدرتها الفريدة على مقاومة التمدد أو التقلص عند تغير درجات الحرارة، وهي خاصية ضرورية للحفاظ على تزامن موجات الضوء. والنتيجة هي جسم أحادي، أو قطعة واحدة، يحمل المرايا ويتضمن مفاصل مرنة مدمجة، تُعرف باسم "الفليكسرز" (flexures)، والتي تسمح بإجراء تعديلات دقيقة دون الحاجة إلى براغي أو قواعد منفصلة. يوضح هذا النهج أن التصنيع الإضافي، والذي يُطلق عليه غالباً الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكنه إنتاج أنظمة بصرية معقدة وعالية الدقة تكون أخف وزناً وأكثر دمجاً مما هي عليه في الطرق التقليدية.

صمم الباحثون جهازهم لاستيعاب نوع محدد من أجهزة التداخل يُعرف باسم "مرحل أوفنرر ذو المجال المتسع" (field-widened Offner relay)، وهو قادر على التعامل مع حزم ضوئية معقدة ذات أنماط متعددة ومختلفة. في الإعداد التقليدي، يتطلب هذا الجهاز مجموعة كبيرة من الدعامات والبراغي ومقابض الضبط المنفصلة، مما يخلق تجميعاً ثقيلاً ويستهلك مساحة كبيرة. يقوم تصميم الفريق بطي مسار الضوء في شكل مدمج وضيق ودمج نقاط التثبيت مباشرة في الهيكل المعدني. ولجعل ذلك ممكناً، كان عليهم مواجهة قيود عملية الطباعة. تعمل الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد عن طريق بناء طبقات، مما يعني أن أجزاء من التصميم لا يمكن أن تتدلى في الهواء دون دعم. لذا هندس الفريق سلسلة من الأعمدة الداخلية، أطلقوا عليها اسم "جزر الرفع" (Loft Islands)، والتي تنمو للأعلى من القاعدة لدعم المرايا والمفاصل المرنة. وهذه الأعمدة مجوفة لتوفيد الوزن، ومصممة بمنحدرات لطيفة لمنع المعدن من الانهيار تحت وزنه أثناء عملية الطباعة.

المادة المختارة لهذه التجربة، وهي "إنفار 36"، هي سبيكة نيكل وحديد معروفة بتمددها الحراري المنخفض للغاية. في عالم البصريات الدقيقة، يمكن لأي تغيير طفيف في درجة الحرارة أن يتسبب في نمو أو انكماش الإطار المعدني، مما يؤدي إلى اختلال محاذاة الضوء. ومن خلال استخدام هذه السبيكة، ضمن الباحثون بقاء الهيكل مستقراً من الناحية الأبعاد حتى مع تغير البيئة المحيطة به. لقد قاموا بطباعة الهيكل بالكامل، بما في ذلك مفاصل الفليكسر الدقيقة، باستخدام آلة "رينيشو AM 400" (Renishaw AM 400) باستخدام ليزر يصهر مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى. وتضمنت العملية التحكم الدقيق في سرعة الليزر وسماكة طبقات المسحوق لضمان اندماج المعدن بشكل صحيح دون خلق نقاط ضعف أو ثقوب. كانت النتيجة النهائية كتلة معدنية صلبة واحدة مع وجود قواعد التثبيت البصرية وآليات الضبط المدمجة مباشرة في هندستها، مما يتطلب فقط إزالة هياكل الدعم المؤقتة وإدخال عدد قليل من البراغي لتثبيت المرايا.

بمجرد اكتمال الطباعة، اختبر الفريق مدى أداء الهيكل الجديد مقارنة بالقواعد البصرية المتوفرة تجارياً. وقاسوا مقدار اهتزاز الجهاز ومقدار انحرافه بمرور الوقت. وأظهرت النتائج أن "الفليكسرز" المطبوعة كانت مرنة بشكل مفاجئ، حيث تحركت أكثر مما هو متوقع دون أن تنكسر، مما يشير إلى أن المعدن المطبوع يمتلك خصائص مختلفة قليلاً عن المعدن الصلب المستخدم عادة في الهندسة. ومع ذلك، جاءت هذه المرونة الإضافية مع مقايضة: كانت القواعد المطبوعة أكثر حساسية للاهتزازات منخفضة التردد، مما تسبب في تذبذب الضوء قلياً أكثر مما يحدث في القواعد التقليدية الأكثر صلابة. ولحل هذه المشكلة، أضاف الباحثون مخمدات صغيرة قابلة للانضغاط بين الأجزاء المرنة، مما قلل بشكل كبير من التذبذب وجعل الاستقرار أقرب إلى المعدات القياسية. وعلى مدار اثنتي عشرة ساعة، حافظ الجهاز المطبوع على موضعه بشكل جيد تقريباً مثل المعيار التجاري في الاتجاه الأفقي، رغم أنه أظهر انحرافاً أكبر قليلاً في الاتجاه الرأسي بسبب تأثير الجاذبية على الهيكل الأقل صلابة.

قام الفريق أيضاً بمحاكاة كيفية سلوك الجهاز تحت تغيرات درجات الحرارة المختلفة لمعرفة ما إذا كان اختيار المادة الأساسية يهم. وقارنوا بين قاعدة مصنوعة من سبيكة "إنفار" نفسها مقابل قواعد مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم. وكشفت عمليات المحاكاة أن استخدام معدن مختلف للقاعدة سيؤدي إلى تشوه الهيكل بأكمله وانزياحه مع تسخينه أو تبريده، مما يدمر دقة الجهاز. وفقط عندما تم صنع القاعدة وبقية الهيكل من نفس السبيكة منخفضة التمدد، ظل النظام مستقراً. وقد أكد هذا أن هذه الأجهزة الدقيقة تتطلب أن يكون الهيكل بأكمله مصنوعاً من مادة تتفاعل مع الحرارة بنفس الطريقة، وإلا سيفشل الجهاز.

أخيراً، اختبر الباحثون الأداء البصري للنظام الكامل عبر تسليط ليزر من خلاله. وقاسوا مدى جودة تداخل موجات الضوء مع بعضها البعض، وهو مؤشر رئيسي على مدى جودة محاذاة المرايا. وبينما لم يحقق الجهاز المطبوع الوضوح المثالي الذي تحققه الأدوات المصنوعة في المختبرات، إلا أنه نجح في إنتاج أنماط تداخل واضحة بكل من الحزم الضوئية البسيطة والمعقدة. كانت رؤية التداخل عالية بما يكفي لإثبات أن المفهوم يعمل، على الرغم من أن الطباعة لم تكن مثالية؛ إذ ترك خطأ في الطباعة قرب نهاية العملية الجزء العلوي من أحد هياكل الدعم غير مكتمل، مما قلل قليلاً من الصلابة ودقة المحاذاة. وبالرغم من هذا الخلل، أثبتت التجربة أن الهيكل البصري الأحادي المطبوع بالكامل هو مسار قابل للتطبيق للمضي قدماً. فهو يوفر وسيلة لبناء أدوات مخصلة وخفيفة الوزن يصعب أو يستحيل صنعها بالطرق التقليدية، مما يفتح الباب أمام أجيال جديدة من المستشعرات الكمومية والأجهزة البصرية المحمولة. وتشير هذه الأعمال إلى أنه مع المزيد من التحسين في عملية الطباعة وتصميم المفاصل المرنة، يمكن أن تصبح هذه الأنظمة البصرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد أداة قياسية لمستقبل العلوم الدقيقة.