3D Printed Monolithic Optomechanical Chassis for an Unbalanced Field-Widened Interferometer
本文提出了一种用于非平衡场宽干涉仪的全单体式光机底座，该底座采用热稳定性良好的 Invar36 通过激光粉末床熔融增材制造技术制成，旨在实现紧凑、轻量化的设计以及超越传统减材制造能力的嵌入式特征。
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光，在被分解并重新组合时，可以揭示宇宙最深处的奥秘，从恒星的距离到单个原子的存在。这种光波的精妙舞动依赖于被称为干涉仪的仪器，它们测量光传播距离的微小差异。为了正常工作，这些机器需要一个能够保持镜片和透镜绝对静止的框架。如果框架因为房间变热而膨胀哪怕仅头发丝宽度的微小比例，或者因为路过的脚步声而产生震动，测量就会失败。几十年来，科学家们通过将沉重的金属部件螺栓连接在一起来构建这些框架，这种方法虽然可靠，但笨重且僵硬。随着对更小、更灵敏设备的需求增长——特别是对于可能彻底改变计算和传感技术的量子技术而言——工程师们正在寻找一种以不同方式构建这些精密框架的方法，或许是通过将其作为单一的、整体的部分进行打印。
滑铁卢大学的一个研究小组在实现这一目标方面迈出了重要一步，他们创造了一个用于复杂光学仪器的全打印底盘。他们没有组装许多分离的金属部件，而是使用高能激光熔化并融合了名为 Invar36 的特殊金属合金层，一次性构建了整个支撑结构。选择这种合金是因为它具有抵抗因温度变化而发生膨胀或收缩的独特能力，这一特性对于保持光波同步至关重要。最终得到的物体是一个单体（即单件式）框架，它固定着镜片，并内置了被称为“柔性铰链”（flexures）的灵活关节，这些关节允许进行精确调节，而无需使用螺钉或单独的支架。这种方法证明了增材制造（通常称为 3D 打印）可以生产出比传统方法制造的更轻、更紧凑的复杂高精度光学系统。
研究人员设计他们的设备是为了容纳一种特定类型的干涉仪，即场宽化的奥夫纳中继器（Offner relay），该设备能够处理具有多种不同模式的复杂光束。在传统的设置中，这种仪器需要大量的独立支架、螺钉和调节旋钮，从而形成一个沉重且占用空间的组件。团队的设计将光路折叠成一个紧凑的形状，并将安装点直接集成到金属结构中。为了实现这一点，他们必须应对打印过程中的限制。金属 3D 打印通过堆叠层来实现，这意味着设计的某些部分在没有支撑的情况下无法悬空。团队设计了一系列内部柱体，称之为“阁楼岛”（Loft Islands），它们从基座向上生长，以支撑镜片和柔性铰链。这些柱体是中空的以减轻重量，并且形状设计为带有缓坡，以防止金属在打印过程中因自身重量而坍塌。
本实验选用的材料 Invar36 是一种以极低热膨胀系数著称的镍铁合金。在精密光学领域，即使是极其微小的温度变化也会导致金属框架生长或收缩，从而破坏光的对准。通过使用这种合金，研究人员确保了即使在环境发生变化时，框架也能保持尺寸稳定性。他们使用 Renishaw AM 400 机器，利用逐层熔化金属粉末的激光，打印了整个底盘，包括精密的柔性铰链关节。该过程涉及精确控制激光速度和粉末层厚度，以确保金属正确熔合，而不产生弱点或孔洞。最终的打印件是一个单一的固体金属块，其光学安装点和调节机制直接构建在其几何结构中，仅需拆除临时支撑结构并插入少量螺钉即可固定镜片。
打印完成后，团队测试了新底盘与标准商业可用光学支架相比的表现。他们测量了设备的震动程度以及随时间漂移的情况。结果显示，打印的柔性铰链表现出了惊人的灵活性，其移动幅度超过预期且未发生断裂，这表明打印出的金属具有与工程中常用的实心金属略有不同的特性。然而，这种额外的灵活性也带来了权衡：打印支架对低频振动更为敏感，导致光线比传统刚性支架更容易发生晃动。为了解决这个问题，研究人员在柔性部件之间添加了小型可压缩阻尼器，这显著减少了晃动，使稳定性接近标准设备。在十二小时的时间内，该打印设备在水平方向上的定位表现几乎与商业标准持平，但在垂直方向上由于重力作用于较弱的结构，显示出略微更多的漂移。
团队还模拟了设备在不同温度变化下的行为，以观察基础材料的选择是否重要。他们将由同种 Invar 合金制成的底座与不锈钢及铝制成的底座进行了对比。模拟结果显示，如果使用不同的金属作为底座，整个结构会在加热或冷却时发生翘曲和偏移，从而毁掉仪器的精度。只有当底座和其余结构都由同一种低膨胀合金制成时，系统才能保持稳定。这证实了对于此类精密仪器，整个框架必须由对热反应方式相同的材料制成，否则仪器将会失效。
最后，研究人员通过向完整的系统发射激光来测试其光学性能。他们测量了光波相互干涉的程度，这是衡量镜片对准好坏的关键指标。虽然打印设备未能达到实验室级仪器的完美清晰度，但它成功产生了清晰的干涉图样，涵盖了简单和复杂的各种光束。干涉的可视度足以证明该概念的可行性，尽管打印过程并不完美——在过程接近尾声时的一个打印错误导致其中一个支撑结构的顶部不完整，这略微降低了刚性和对准精度。尽管存在这一缺陷，实验仍证明了全 3D 打印单体光学底盘是一条可行的发展路径。它提供了一种构建定制、轻量化仪器的途径，这些仪器使用传统加工技术难以甚至无法制造，从而为新一代量子传感器和便携式光学设备开启了大门。这项工作表明，通过进一步完善打印工艺和柔性铰链设计，这些 3D 打印的光学系统有望成为未来精密科学的标准工具。
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