通过将两种前体混合然后进行致密化,对玻璃梯度折射率光学器件进行3D打印

使用细喷嘴对2种不同的粘弹性玻璃前驱体流体进行3D打印,然后将结果烘焙并压实以形成GRIN光学器件。

 2012 Lfw Nb 1

而不是构成传统光学透镜的均匀玻璃块, 梯度折射率(GRIN)光学 折射率随光学元件内部位置而变化;这增加了额外的自由度,可以简化光学元件的形状或增加额外的功能。例如,GRIN镜头的常见类型是 带有径向变化的分度和平端面的杆。制造GRIN光学器件通常涉及将物质扩散到玻璃中以产生折射率梯度。这是一个耗时的过程,可能并不完全是确定性的过程。现在,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL;加利福尼亚州利弗莫尔)的研究人员正在使用多材料3D打印来创建量身定制的GRIN光学器件,可以制造出更好的军事专用眼镜和虚拟现实眼镜。新技术可以在平板玻璃组件中实现多种常规和非常规光学功能,从而在环境稳定的玻璃材料中提供新的光学设计多功能性。

该团队能够通过使用3D打印的直接墨水书写(DIW)方法,主动控制将两种不同的玻璃糊状物或“墨水”的比例混合在一起,来调整材料成分中的梯度。使用DIW制成成分不同的光学预成型件后,将其加热以除去所有溶剂和有机化合物,致密化为玻璃,然后使用常规光学抛光进行精加工。例如,通过研磨和抛光从实验平面GRIN光学器件中去除了约300μm,以去除打印线的纹理,并获得优于1 nm均方根(RMS)的表面微粗糙度。

折射率梯度来自通过3D打印过程沉积的二氧化硅纳米颗粒混合物中二氧化钛浓度的变化。两种不同的粘弹性油墨通过喷嘴沉积喷嘴越小,折射率梯度越平滑,但将墨水从喷嘴喷出所需的压力也越高。研究人员在出口处使用了直径为610μm的锥形喷嘴。最终的致密部件直径约为11毫米,直径为15毫米厚。具有抛物线浓度分布的组件的性能约为衍射极限的5倍(还制造了圆柱透镜)。该论文的主要作者丽贝卡·迪拉·斯皮尔斯(Rebecca Dylla-Spears)说:“尽管已针对GRIN进行了演示,但该方法还可用于定制其他材料或光学特性。” 参考:R. Dylla-Spears等., 美国科学促进会科学进阶  (2020); doi:10.1126 / sciadv.abc7429。

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