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

Licht, wanneer het wordt gesplitst en gecombineerd, kan de diepste geheimen van het universum onthullen, van de afstand tot een ster tot de aanwezigheid van een enkel atoom. Deze delicate dans van lichtgolven steunt op instrumenten die interferometers worden genoemd, die minuscule verschillen meten in de afstand die het licht aflegt. Om te functioneren, hebben deze machines een frame nodig dat spiegels en lenzen met absolute stilstand vasthoudt. Als het frame zelfs maar een fractie van een haarbreedte uitzet omdat de kamer warmer werd, of als het vibreert door een passerende voetstap, mislukt de meting. Decennialang hebben wetenschappers deze frames gebouwd door zware metalen onderdelen aan elkaar te schroeven, een methode die betrouwbaar maar volumineus en stijf is. Nu de behoefte aan kleinere, gevoeligere apparaten groeit — vooral voor kwantumtechnologie die computertechnologie en sensoren zou kunnen revolutioneren — zoeken ingenieurs naar een manier om deze delicate frames anders te bouwen, bijvoorbeeld door ze als één enkel, solide stuk te printen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Waterloo heeft een belangrijke stap gezet richting dit doel door een volledig geprint chassis te creëren voor een complex optisch instrument. In plaats van veel afzonderlijke metalen onderdelen te assembleren, gebruikten ze een krachtige laser om lagen van een speciale metaallegering genaamd Invar36 te smelten en te versmelten, waarbij de gehele ondersteuningsstructuur in één keer werd opgebouwd. Deze legering is gekozen vanwege zijn unieke vermogen om weerstand te bieden tegen uitzetten of krimpen wanneer temperaturen veranderen, een eigenschap die essentieel is om lichtgolven in sync te houden. Het resulterende object is een monolithisch, of enkelvoudig frame, dat de spiegels vasthoudt en ingebouwde flexibele verbindingen bevat, ook wel flexuren genoemd, die nauwkeurige aanpassingen mogelijk maken zonder de noodzaak van schroeven of aparte montages. Deze aanpak demonstreert dat additieve fabricage, vaak 3D-printen genoemd, complexe, hoogprecisie optische systemen kan produceren die lichter en compacter zijn dan die gemaakt met traditionele methoden.

De onderzoekers ontwierpen hun apparaat om een specif으로 type interferometer te huisvesten dat bekend staat als een veldverbreedde Offner-relay, die in staat is om complexe lichtbundels met veel verschillende modi te verwerken. In een traditionele opstelling zou dit instrument een grote verzameling afzonderlijke beugels, schroeven en stelknoppen vereisen, wat een zware en ruimteக்கconsumerende assemblage creëert. Het ontwerp van het team vouwt het pad van het licht in een compacte, nauwe vorm en integreert de montagepunten direct in de metalen structuur. Om dit mogelijk te maken, moesten zij navigeren door de beperkingen van het printproces. Metaal-3D-printen werkt door lagen op te bouwen, wat betekent dat delen van het ontwerp niet in de lucht kunnen hangen zonder ondersteuning. Het team heeft een reeks interne pilaren ontworpen, die zij "Loft Islands" noemden, die omhoog groeien vanuit de basis om de spiegels en de flexibele verbindingen te ondersteunen. Deze pilaren zijn hol om gewicht te besparen en zijn gevormd met milde hellingen om te voorkomen dat het metaal onder zijn eigen gewicht bezwijkt tijdens het printproces.

Het materiaal dat voor dit experiment is gekozen, Invar36, is een nikkel-ijzerlegering die bekend staat om zijn extreem lage thermische uitzetting. In de wereld van precisie-optica kan zelfs een minuscule temperatuurverandering ervoor zorgen dat een metalen frame groeit of krimpt, waardoor de uitlijning van het licht wordt verstoord. Door deze legering te gebruiken, verzekerden de onderzoekers zich ervan dat het frame dimensionaal stabiel zou blijven, zelfs wanneer de omgeving eromheen veranderde. Ze printten het volledige chassis, inclusief de delicate flexibiele verbindingen, op een Renishaw AM 400 machine met behulp van een laser die metaalpoeder laag voor laag smolt. Het proces hield in dat de snelheid van de laser en de dikte van de poederlagen zorgvuldig werden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het metaal correct versmolt zonder zwakke plekken of gaten te creëren. De uiteindelijke print was een enkel, solide blok metaal met de optische montages en aanpassingsmechanismen die direct in de geometrie waren gebouwd, waarbij alleen de tijdelijke ondersteuningsstructuren verwijderd hoefden te worden en een paar schroeven ingebracht moesten worden om de spiegels vast te zetten.

Zodra het printen voltooid was, testte het team hoe goed het nieuwe chassis presteerde in vergelijking met standaard, commercieel beschikbare optische montages. Ze maten hoeveel het apparaat vibreerde en hoeveel het over tijd driftte. De resultaten toonden aan dat de geprinte flexuren verrassend flexibel waren en meer bewogen dan verwacht zonder te breken, wat suggereerde dat het geprinte metaal iets andere eigenschappen had dan het massieve metaal dat gewoonlijk in de techniek wordt gebruikt. Deze extra flexibiliteit ging echter gepaard met een trade-off: de geprinte montages waren gevoeliger voor laagfrequente trillingen, waardoor het licht iets meer wiebelde dan in een traditionele, stijvere montage. Om dit op te lossen, voegden de onderzoekers kleine, samendrukbare dempers toe tussen de flexibele onderdelen, wat de wiebel aanzienlijk verminderde en de stabiliteit dichter bij die van standaardapparatuur bracht. Over een periode van twaalf uur hield het geprinte apparaat zijn positie bijna even goed vast als de commerciële standaard in de horizontale richting, hoewel het iets meer drift vertoonde verticaal door de zwaartekracht die aan de minder stijve structuur trok.

Het team simuleerde ook hoe het apparaat zich zou gedragen onder verschillende temperatuurveranderingen om te zien of de keuze van het basismateriaal uitmaakte. Ze vergeleken een basis gemaakt van dezelfde Invar-legering met bases gemaakt van roestvrij staal en aluminium. De simulaties onthulden dat het gebruik van een ander metaal voor de basis zou leiden tot het vervormen en verschuiven van de gehele structuur wanneer deze opwarmde of afkoelde, wat de precisie van het instrument zou ruïneren. Alleen wanneer de basis en de rest van de structuur van hetzelfde laag-expansieve materiaal werden gemaakt, bleef het systeem stabiel. Dit bevestigde dat voor dergelijke delicate instrumenten de gehele frame van een materiaal moet zijn dat op dezelfde manier op warmte reageert, anders zal het instrument falen.

Ten slotte testten de onderzoekers de optische prestaties van het volledige systeem door een laser erdoorheen te schijnen. Ze maten hoe goed de lichtgolven met elkaar interfereerden, een belangrijke indicator van hoe goed de spiegels zijn uitgelijnd. Hoewel het geprinte apparaat niet de perfecte helderheid van een in het laboratorium gemaakt instrument bereikte, produceerde het succesvol duidelijke interferentiepatronen met zowel eenvoudige als complexe lichtbundels. De zichtbaarheid van de interferentie was hoog genoeg om te bewijzen dat het concept werkt, ook al was de print niet perfect; een printfout nabij het einde van het proces had de bovenkant van een van de ondersteuningsstructuren incompleet gelaten, wat de stijfheid en de uitlijningsprecisie iets verminderde. Ondanks dit gebrek bewees het experiment dat een volledig 3D-geprint, monolithisch optisch chassis een levensvatbaar pad vooruit is. Het biedt een manier om op maat gemaakte, lichtgewicht instrumenten te bouwen die moeilijk of onmogelijk te maken zijn met traditionele bewerking, wat de deur opent naar nieuwe generaties kwantumsensoren en draagbare optische apparaten. Het werk suggereert dat met verdere verfijning van het printproces en het ontwerp van de flexibele verbindingen, deze 3D-geprinte optische systemen een standaardinstrument voor de toekomst van de precisiewetenschap zouden kunnen worden.