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

Licht kann, wenn es aufgespalten und wieder vereint wird, die tiefsten Geheimnisse des Universums offenbaren, von der Entfernung zu einem Stern bis hin zur Anwesenheit eines einzelnen Atoms. Dieser delikate Tanz der Lichtwellen beruht auf Instrumenten namens Interferometern, die winzige Unterschiede in der Distanz messen, die das Licht zurücklegt. Damit diese Maschinen funktionieren, benötigen sie einen Rahmen, der Spiegel und Linsen in absoluter Reglosigkeit hält. Wenn sich der Rahmen auch nur um einen Bruchteil einer Haarbreite ausdehnt, weil der Raum wärmer wurde, oder wenn er durch einen vorbeigehenden Schritt vibriert, schlägt die Messung fehl. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diese Rahmen gebaut, indem sie schwere Metallteile miteinander verschraubten – eine Methode, die zuverlässig, aber klobig und starr ist. Da der Bedarf an kleineren, empfindlicheren Geräten wächst – insbesondere für die Quantentechnologie, die das Computing und die Sensorik revolutionieren könnte –, suchen Ingenieure nach einem Weg, diese empfindlichen Rahmen anders zu bauen, vielleicht indem sie sie als ein einziges, massives Stück drucken.

Ein Forschungsteam der University of Waterloo hat einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen, indem es ein vollständig gedrucktes Chassis für ein komplexes optisches Instrument geschaffen hat. Anstatt viele einzelne Metallteile zusammenzusetzen, verwendeten sie einen Hochleistungslaser, um Schichten einer speziellen Metalllegierung namens Invar36 zu schmelzen und zu verschmelzen, wobei die gesamte Stützstruktur in einem Arbeitsgang aufgebaut wurde. Diese Legierung wurde aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit gewählt, bei Temperaturänderungen kaum zu expandieren oder zu kontrahieren, eine Eigenschaft, die essenziell ist, um die Lichtwellen synchron zu halten. Das resultierende Objekt ist ein monolithischer, also einstückiger Rahmen, der die Spiegel hält und über integrierte, flexible Gelenke, sogenannte Flexuren, verfügt, die präzise Justierungen ohne Schrauben oder separate Montagen ermöglichen. Dieser Ansatz zeigt, dass additive Fertigung, oft als 3D-Druck bezeichnet, komplexe, hochpräzise optische Systeme hervorbringen kann, die leichter und kompakter sind als jene, die mit traditionellen Methoden hergestellt werden.

Die Forscher entwarfen ihr Gerät, um einen spezifischen Typ eines Interferometers unterzubringen, bekannt als feldverbreiterter Offner-Relais, der in der Lage ist, komplexe Lichtstrahlen mit vielen verschiedenen Moden zu verarbeiten. In einem traditionellen Aufbau würde dieses Instrument eine große Sammlung separater Halterungen, Schrauben und Einstellknöpfe erfordern, was eine schwere und platzraubende Baugruppe zur Folge hätte. Das Design des Teams faltet den Pfad des Lichts in eine enge, kompakte Form und integriert die Montagepunkte direkt in die Metallstruktur. Um dies zu ermöglichen, mussten sie die Einschränkungen des Druckprozesses bewältigen. Metall-3D-Druck funktioniert durch den Aufbau von Schichten, was bedeutet, dass Teile des Designs nicht in der Luft hängen können, ohne gestützt zu werden. Das Team entwickelte eine Serie interner Säulen, die sie „Loft Islands“ nannten, welche von der Basis nach oben wachsen, um die Spiegel und die flexiblen Gelenke zu stützen. Diese Säulen sind hohl, um Gewicht zu sparen, und mit sanften Neigungen geformt, um zu verhindern, dass das Metall während des Druckprozesses unter seinem eigenen Gewicht kollabiert.

Das für dieses Experiment gewählte Material, Invar36, ist eine Nickel-Eisen-Legierung, die für ihre extrem niedrige thermische Ausdehnung bekannt ist. In der Welt der Präzisionsoptik kann bereits eine winzige Temperaturänderung dazu führen, dass ein Metallrahmen wächst oder schrumpft, was die Ausrichtung des Lichts durcheinanderbringt. Durch die Verwendung dieser Legierung stellten die Forscher sicher, dass der Rahmen auch dann dimensionsstabil bleibt, wenn sich die Umgebung um ihn herum verändert. Sie druckten das gesamte Chassis, einschließlich der empfindlichen Flexur-Gelenke, auf einer Renishaw AM 400 Maschine unter Verwendung eines Lasers, der Metallpulver Schicht für Schicht schmolz. Der Prozess beinhaltete eine sorgfältige Steuerung der Lasergeschwindigkeit und der Dicke der Pulverschichten, um sicherzustellen, dass das Metall korrekt verschmolz, ohne Schwachstellen oder Löcher zu erzeugen. Der fertige Druck war ein einziger, massiver Metallblock, in dessen Geometrie die optischen Halterungen und Einstellmechanismen direkt eingebaut waren, sodass lediglich die Entfernung der temporären Stützstrukturen und das Einsetzen einiger weniger Schrauben zur Sicherung der Spiegel erforderlich war.

Nachdem der Druck abgeschlossen war, testete das Team, wie gut das neue Chassis im Vergleich zu handelsüblichen optischen Montagen performte. Sie maßen, wie stark das Gerät vibrierte und wie sehr es im Laufe der Zeit driftete. Die Ergebnisse zeigten, dass die gedruckten Flexuren überraschend flexibel waren und sich stärker als erwartet bewegten, ohne zu brechen, was darauf hindeutete, dass das gedruckte Metall leicht andere Eigenschaften aufwies als das massive Metall, das normalerweise in der Technik verwendet wird. Diese zusätzliche Flexibilität ging jedoch mit einem Kompromiss einher: Die gedruckten Montagen waren empfindlicher gegenüber niederfrequenten Vibrationen, was dazu führte, dass das Licht etwas stärker schwankte als in einer traditionellen, steiferen Montage. Um dies zu beheben, fügten die Forscher kleine, kompressible Dämpfer zwischen die flexiblen Teile ein, was das Wackeln erheblich reduzierte und die Stabilität näher an die des Standardequipments brachte. Über einen Zeitraum von zwölf Stunden hielt das gedruckte Gerät seine Position in der Horizontalen fast so gut wie der kommerzielle Standard, zeigte jedoch aufgrund der geringeren Steifigkeit der Struktur eine etwas stärkere Drift in der Vertikalen durch die Schwerkraft.

Das Team simulierte zudem, wie sich das Gerät unter verschiedenen Temperaturänderungen verhalten würde, um zu sehen, ob die Wahl des Basismaterials eine Rolle spielte. Sie verglichen eine Basis aus derselben Invar-Legierung mit Basen aus Edelstahl und Aluminium. Die Simulationen ergaben, dass die Verwendung eines anderen Metalls für die Basis dazu führen würde, dass die gesamte Struktur beim Erhitzen oder Abkühlen sich verzieht und verschiebt, was die Präzision des Instruments ruinieren würde. Nur wenn die Basis und der Rest der Struktur aus dersbachem, niedrig expandierenden Material bestanden, blieb das System stabil. Dies bestätigte, dass für solch empfindliche Instrumente der gesamte Rahmen aus einem Material bestehen muss, das auf Wärme auf die gleiche Weise reagiert, da das Instrument sonst versagt.

Schließlich testeten die Forscher die optische Leistung des Gesamtsystems, indem sie einen Laser hindurchstrahlten. Sie maßen, wie gut die Lichtwellen miteinander interferieren, was ein Schlüsselindikator dafür ist, wie gut die Spiegel ausgerichtet sind. Obwohl das gedruckte Gerät nicht die perfekte Klarheit eines im Labor gefertigten Instruments erreichte, erzeugte es erfolgreich klare Interferenzmuster sowohl mit einfachen als als auch mit komplexen Lichtstrahlen. Die Sichtbarkeit der Interferenz war hoch genug, um den Beweis zu erbringen, dass das Konzept funktioniert, obwohl der Druck nicht perfekt war; ein Druckfehler gegen Ende des Prozesses hatte dazu geführt, dass die Oberseite einer der Stützstrukturen unvollständig blieb, was die Steifigkeit und die Ausrichtungspräzision leicht reduzierte. Trotz dieses Fehlers bewies das Experiment, dass ein vollständig 3D-gedrucktes, monolithisches optisches Chassis ein gangbarer Weg nach vorne ist. Es bietet eine Möglichkeit, maßgeschneiderte, leichte Instrumente zu bauen, die mit traditioneller Bearbeitung schwierig oder unmöglich herzustellen sind, und öffnet die Tür zu neuen Generationen von Quantensensoren und tragbaren optischen Geräten. Die Arbeit legt nahe, dass diese 3D-gedruckten optischen Systeme mit weiterer Verfeinerung des Druckprozesses und der Konstruktion der flexiblen Gelenke zu einem Standardwerkzeug der zukünftigen Präzisionswissenschaft werden könnten.