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

La luce, quando viene scomposta e ricombinata, può rivelare i segreti più profondi dell'universo, dalla distanza di una stella alla presenza di un singolo atomo. Questa delicata danza di onde luminose si basa su strumenti chiamati interferometri, che misurano minuscole differenze nella distanza percorsa dalla luce. Per funzionare, queste macchine necessitano di un telaio che sostenga specchi e lenti con assoluta immobilità. Se il telaio si espande anche solo di una frazione della larghezza di un capello perché la stanza si è scaldata, o se vibra a causa del passaggio di un piede, la misurazione fallisce. Per decenni, gli scienziati hanno costruito questi telai bullonando insieme parti metalliche pesanti, un metodo che è affidabile ma ingombrante e rigido. Poiché la necessità di dispositivi più piccoli e sensibili cresce — specialmente per la tecnologia quantistica che potrebbe rivoluzionare l'informatica e il sensing — gli ingegneri stanno cercando un modo per costruire questi delicati telai in modo diverso, magari stampandoli come un unico pezzo solido.

Un team di ricercatori dell'Università di Waterloo ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo creando un telaio completamente stampato per un complesso strumento ottico. Invece di assemblare molte parti metalliche separate, hanno utilizzato un laser ad alta potenza per fondere e fondere strati di una speciale lega metallica chiamata Invar36, costruendo l'intera struttura di supporto in un'unica soluzione. Questa lega è stata scelta per la sua capacità unica di resistere all'espansione o alla contrazione quando le temperature cambiano, una proprietà essenziale per mantenere in sincronia le onde luminose. L'oggetto risultante è un telaio monolitico, o a pezzo unico, che sostiene gli specchi e include giunti flessibili integrati, noti come flexure, che permettono regolazioni precise senza la necessità di viti o supporti separati. Questo approccio dimostra che la manifattura additiva, spesso chiamata stampa 3D, può produrre sistemi ottici complessi e ad alta precisione che sono più leggeri e compatti rispetto a quelli realizzati con i metodi tradizionali.

I ricercatori hanno progettato il loro dispositivo per ospitare un tipo specifico di interferometro noto come relay Offner a campo allargato, capace di gestire fasci di luce complessi con molti modi differenti. In una configurazione tradizionale, questo strumento richiederebbe una grande collezione di staffe separate, viti e manopole di regolazione, creando un assemblaggio pesante e ingombrante. Il design del team ripiega il percorso della luce in una forma stretta e compatta e integra i punti di montaggio direttamente nella struttura metallica. Per rendere possibile ciò, hanno dovuto navigare tra i limiti del processo di stampa. La stampa 3D dei metalli funziona costruendo strati sovrapposti, il che significa che parti del design non possono pendere nel vuoto senza un supporto. Il team ha progettato una serie di pilastri interni, che hanno chiamato "Loft Islands", che crescono verso l'alto dalla base per sostenere gli specchi e i giunti flessibili. Questi pilastri sono cavi per risparmiare peso e sono modellati con pendenze dolci per evitare che il metallo collassi sotto il proprio peso durante il processo di stampa.

Il materiale scelto per questo esperimento, l'Invar36, è una lega di nichel e ferro nota per la sua incredibilmente bassa espansione termica. Nel mondo dell'ottica di precisione, anche un minimo cambiamento di temperatura può causare l'accrescimento o la contrazione di un telaio metallico, alterando l'allineamento della luce. Utilizzando questa lega, i ricercatori hanno garantito che il telaio rimanesse dimensionalmente stabile anche quando l'ambiente circostante cambiava. Hanno stampato l'intero telaio, inclusi i delicati giunti flessibili, su una macchina Renishaw AM 400 utilizzando un laser che fondeva la polvere metallica strato dopo strato. Il processo ha comportato il controllo accurato della velocità del laser e dello spessore degli strati di polvere per garantire che il metallo si fondesse correttamente senza creare punti deboli o fori. Il pezzo finale era un unico blocco solido di metallo con i supporti ottici e i meccanismi di regolazione integrati direttamente nella sua geometria, richiedendo solo la rimozione delle strutture di supporto temporanee e l'inserimento di alcune viti per fissare gli specchi.

Una volta completata la stampa, il team ha testato quanto bene il nuovo telaio si comportasse rispetto ai supporti ottici standard disponibili in commercio. Hanno misurato quanto il dispositivo vibrasse e quanto oscillasse nel tempo. I risultati hanno mostrato che le flexure stampate erano sorprendentemente flessibili, muovendosi più del previsto senza rompersi, il che suggeriva che il metallo stampato avesse proprietà leggermente diverse rispetto al metallo solido solitamente usato in ingegneria. Tuttavia, questa flessibilità extra comportava un compromesso: i supporti stampati erano più sensibili alle vibrazioni a bassa frequenza, causando un leggero traballamento della luce rispetto a un supporto tradizionale più rigido. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno aggiunto piccoli smorzatori comprimibili tra le parti flessibili, il che ha ridotto significativamente il traballamento e ha portato la stabilità vicina a quella delle attrezzature commerciali. In un periodo di dodici ore, il dispositivo stampato ha mantenuto la sua posizione quasi quanto lo standard commerciale nella direzione orizzontale, sebbene abbia mostrato un leggero deriva verticale a causa della gravità che tirava sulla struttura meno rigida.

Il team ha anche simulato come il dispositivo si sarebbe comportato sotto diverse variazioni di temperatura per vedere se la scelta del materiale di base fosse importante. Hanno confrontato una base fatta dello stesso Invar con basi fatte di acciaio inossidabile e alluminio. Le simulazioni hanno rivelato che l'uso di un metallo diverso per la base avrebbe causato la deformazione e lo spostamento dell'intera struttura con l'aumentare o la diminuzione del calore, rovinando la precisione dello strumento. Solo quando la base e il resto della struttura erano fatti dello stesso materiale a bassa espansione, il sistema rimaneva stabile. Ciò ha confermato che per strumenti così delicati, l'intero telaio deve essere fatto di un materiale che reagisce al calore nello stesso modo, altrimenti lo strumento fallirà.

Infine, i ricercatori hanno testato le prestazioni ottiche del sistema completo facendo passare un laser attraverso di esso. Hanno misurato quanto bene le onde luminose interferissero tra loro, un indicatore chiave di quanto fossero allineati gli specchi. Sebbene il dispositivo stampato non abbia raggiunto la perfezione di uno strumento da laboratorio, ha prodotto con successo chiari pattern di interferenza sia con fasci di luce semplici che complessi. La visibilità dell'interferenza era sufficientemente alta da provare che il concetto funziona, nonostante la stampa non fosse perfetta; un errore di stampa verso la fine del processo aveva lasciato incompleta la parte superiore di una delle strutture di supporto, riducendo leggermente la rigidità e la precisione dell'allineamento. Nonostante questo difetto, l'esperimento ha dimostrato che un telaio ottico monolitico interamente stampato in 3D è una via percorribile. Offre un modo per costruire strumenti personalizzati e leggeri che sono difficili o impossibili da realizzare con la lavorazione tradizionale, aprendo la strada a nuove generazioni di sensori quantistici e dispositivi ottici portatili. Il lavoro suggerisce che con un ulteriore perfezionamento del processo di stampa e del design dei giunti flessibili, questi sistemi ottici stampati in 3D potrebbero diventare uno strumento standard per la scienza di precisione del futuro.