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

빛은 분리되고 다시 결합될 때 별까지의 거리부터 단일 원자의 존재에 이르기까지 우주의 가장 깊은 비밀을 드러낼 수 있습니다. 이 섬세한 빛의 파동 댄스는 빛이 이동하는 거리의 미세한 차이를 측정하는 간섭계라는 장치에 의존합니다. 이 기계가 작동하려면 거울과 렌즈를 절대적인 정지 상태로 유지하는 프레임이 필요합니다. 만약 방이 따뜻해져서 프레임이 머리카락 폭의 아주 작은 부분이라도 팽창하거나, 지나가는 발걸음으로 인해 진동한다면 측정은 실패합니다. 수십 년 동안 과학자들은 무거운 금속 부품들을 볼트로 조여 이러한 프레임을 만들어 왔으며, 이 방법은 신뢰할 수 있지만 부피가 크고 경직되어 있습니다. 양자 컴퓨팅과 센싱을 혁신할 수 있는 양자 기술을 위해 더 작고 민감한 장치에 대한 필요성이 커짐에 따라, 엔지니어들은 이 섬세한 프레임을 다르게 제작하는 방법, 예를 들어 하나의 단단한 덩어리로 인쇄하는 방법을 찾고 있습니다.

워털루 대학교의 연구팀은 복잡한 광학 기기를 위한 완전 인쇄형 섀시를 제작함으로써 이 목표를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 여러 개의 별도 금속 부품을 조립하는 대신, 그들은 고출력 레이저를 사용하여 Invar36이라는 특수 금속 합금을 녹이고 융합하여 전체 지지 구조를 한 번에 구축했습니다. 이 합금은 온도가 변할 때 팽창하거나 수축하는 것에 저항하는 독특한 능력 때문에 선택되었으며, 이는 빛의 파동을 동기화된 상태로 유지하는 데 필수적인 속성입니다. 결과물은 거울을 고정하고 나사나 별도의 마운트 없이도 정밀한 조절이 가능한 플렉스처(flexures)라고 불리는 내장형 유연 관절을 포함하는 모놀리식(monolithic), 즉 단일 피스 프레임입니다. 이 접근 방식은 적층 제조, 흔히 3D 프린팅이라 불리는 기술이 전통적인 방식보다 더 가볍고 컴팩트한 복잡한 고정밀 광학 시스템을 제작할 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 다양한 모드를 가진 복잡한 빛의 빔을 처리할 수 있는 필드 와이드닝 오프너 릴레이(field-widened Offner relay)라고 알려진 특정 유형의 간섭계를 수용하도록 장치를 설계했습니다. 전통적인 설정에서는 이 기기에 많은 별도의 브래킷, 나사, 조절 노브가 필요하여 무겁고 공간을 많이 차지하는 조립체가 됩니다. 연구팀의 설계는 빛의 경로를 작고 조밀한 형태로 접고, 마운팅 포인트를 금속 구조에 직접 통합했습니다. 이를 가능하게 하기 위해 그들은 인쇄 공정의 한계를 극복해야 했습니다. 금속 3D 프린팅은 층을 쌓아 올리는 방식으로 작동하기 때문에, 디자인의 일부는 지지 구조 없이는 허공에 떠 있을 수 없습니다. 연구팀은 거울과 유연 관절을 지지하기 위해 바닥에서 위로 자라나는 "로프트 아일랜드(Loft Islands)"라고 부르는 일련의 내부 기둥을 설계했습니다. 이 기둥들은 무게를 줄이기 위해 속이 비어 있으며, 인쇄 과정 중 금속이 자체 무게로 인해 무너지는 것을 방ست하기 위해 완만한 경사를 띠고 있습니다.

이 실험에 사용된 재료인 Invar36은 열 팽창 계수가 매우 낮은 니켈-철 합금입니다. 정밀 광학의 세계에서는 아주 미세한 온도 변화도 금속 프레임을 성장시키거나 수축시켜 빛의 정렬을 흐트러뜨릴 수 있습니다. 이 합금을 사용함으로써 연구진은 주변 환경이 변하더라도 프레임이 치수 안정성을 유지하도록 보장했습니다. 그들은 Renishaw AM 400 기계를 사용하여 레이저로 금속 분말을 층층이 녹여 전체 섀시와 섬세한 플렉스처 관절을 인쇄했습니다. 이 과정은 금속이 제대로 융합되지 않거나 결함이나 구멍이 생기지 않도록 레이저 속도와 분말 층의 두께를 세심하게 제어하는 과정을 포함했습니다. 최종 인쇄물은 광학 마운트와 조절 메커니즘이 기하학적 구조 안에 직접 구축된 단일한 금속 블록이었으며, 임시 지지 구조를 제거하고 거울을 고정하기 위한 몇 개의 나사만 끼우면 되었습니다.

인쇄가 완료된 후, 연구팀은 새 섀시가 표준 상용 광학 마운트와 비교하여 얼마나 잘 작동하는지 테스트했습니다. 그들은 장치가 얼마나 진동하는지와 시간이 지남에 따라 얼마나 드리프트(drift)가 발생하는지를 측정했습니다. 결과에 따르면 인쇄된 플렉스처는 예상보다 더 많이 움직일 정도로 놀라울 정도로 유연했는데, 이는 인쇄된 금속이 일반적으로 공학에 사용되는 고체 금속과는 약간 다른 특성을 가지고 있음을 시사했습니다. 그러나 이러한 추가적인 유연성은 트레이드오프를 동반했습니다. 인쇄된 마운트는 저주파 진동에 더 민감하여 전통적인 더 단단한 마운트에 비해 빛이 약간 더 흔들리게 만들었습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 유연한 부분 사이에 작은 압축 댐퍼를 추가하여 흔들림을 크게 줄였고, 안정성을 표준 장비 수준에 가깝게 끌어올렸습니다. 12시간 동안 인쇄된 장치는 수평 방향에서 상업적 표준과 거의 비슷하게 위치를 유지했으나, 구조가 덜 단단하여 중력이 당기는 힘 때문에 수직 방향으로는 약간 더 많은 드리프트를 보였습니다.

연구팀은 베이스 재료의 선택이 중요한지 확인하기 위해 다양한 온도 변화 하에서 장치가 어떻게 작동할지 시뮬레이션했습니다. 그들은 동일한 Invar 합금으로 만든 베이스를 스테인리스 스틸 및 알루미늄 베이스와 비교했습니다. 시뮬레이션 결과, 베이스를 다른 금속으로 만들 경우 열을 받거나 식을 때 전체 구조가 뒤틀리고 이동하여 정밀도를 망가뜨린다는 것이 밝혀졌습니다. 베이스와 나머지 구조가 모두 동일한 저팽창 합금으로 만들어졌을 때만 시스템이 안정적으로 유지되었습니다. 이는 이러한 섬세한 기구의 경우, 전체 프레임이 열에 동일하게 반응하는 재료로 만들어져야 하지 않으면 기기가 실패하게 된다는 점을 확인시켜 주었습니다.

마지막으로, 연구진은 레이저를 통과시켜 전체 시스템의 광학 성능을 테스트했습니다. 그들은 빛의 파동이 서로 얼마나 잘 간섭하는지, 즉 거울이 얼마나 잘 정렬되었는지를 나타내는 핵심 지표를 측정했습니다. 인쇄된 장치가 실험실 제작 기기만큼 완벽한 선명도를 달 অর্জন하지는 못했지만, 단순하고 복잡한 빛의 빔 모두에 대해 명확한 간섭 패턴을 성공적으로 생성했습니다. 인쇄 과정 중 발생한 오류로 인해 공정 끝부분 근처의 한 지지 구조 윗부분이 불완전하게 인쇄되어 강성과 정렬 정밀도가 약간 감소했음에도 불구하고, 간섭의 가시성은 개념이 작동함을 증명하기에 충분했습니다. 이러한 결함에도 불구하고, 이 실험은 완전히 3D 프린팅된 모놀리식 광학 섀시가 실행 가능한 경로임을 입증했습니다. 이는 전통적인 가공으로는 만들기 어렵거나 불가능한 맞춤형 경량 기기를 제작할 수 있는 길을 열어주며, 차세대 양자 센서와 휴대용 광학 장치의 새로운 세대를 여는 역할을 합니다. 이 연구는 인쇄 공정과 유연 관절 설계를 더욱 개선한다면, 3D 프린팅된 이러한 광학 시스템이 미래 정밀 과학의 표준 도구가 될 수 있음을 시사합니다.