美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員利用多材料3D打印技術(shù)，制造出了特制的梯度折射率玻璃光學(xué)器件，可用于制造更好的軍人專(zhuān)用眼鏡和虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡。

這項(xiàng)新技術(shù)可以在平板玻璃元件(無(wú)表面曲率)中實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的光學(xué)功能，為環(huán)境穩(wěn)定的玻璃材料提供新的光學(xué)設(shè)計(jì)多功能性。

通過(guò)主動(dòng)控制兩種不同的玻璃成型漿料或“墨水”的比例，利用3d打印的直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)方法，該團(tuán)隊(duì)能夠調(diào)整材料成分的梯度。用DIW制成變組合光學(xué)預(yù)模后，再將其致密成玻璃，然后用常規(guī)光學(xué)拋光完成。

這是對(duì)未來(lái)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的藝術(shù)渲染，用于定制GRIN光學(xué)，展示了多材料3D打印的定制合成光學(xué)預(yù)制件，通過(guò)熱處理、拋光和使用折射率梯度檢查最終光學(xué)轉(zhuǎn)化為玻璃。

LLNL的科學(xué)家Rebecca Dylla-Spears說(shuō):“一旦我們將其轉(zhuǎn)化為玻璃，材料成分的變化會(huì)導(dǎo)致折射率的變化。”Rebecca Dylla-Spears是今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一篇論文的主要作者。

該項(xiàng)目始于2016年，當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究如何利用加法制造來(lái)推進(jìn)光學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)。因?yàn)榧臃ㄖ圃焯峁┝丝刂平Y(jié)構(gòu)和成分的能力，它為梯度折射率玻璃鏡片的制造提供了一條新的途徑。

梯度折射率(GRIN)光學(xué)提供了傳統(tǒng)完成光學(xué)的替代。梯度折射率光學(xué)在材料組成中包含空間梯度，它在材料的折射率中提供梯度，從而改變光通過(guò)介質(zhì)的方式。GRIN鏡頭可以有一個(gè)平坦的表面輪廓，但仍然執(zhí)行相同的光學(xué)功能，作為等效的傳統(tǒng)鏡頭。

由于眼球晶狀體的進(jìn)化，GRIN光學(xué)已經(jīng)存在于自然界中。在大多數(shù)物種中都可以找到這樣的例子，其中穿過(guò)眼球晶狀體的折射率的變化是由結(jié)構(gòu)蛋白濃度的變化所控制的。

完全空間控制材料組成和光學(xué)功能的能力為GRIN光學(xué)設(shè)計(jì)提供了新的選擇。例如，多種功能可以設(shè)計(jì)成一個(gè)單一的光學(xué)，如聚焦結(jié)合常見(jiàn)光學(xué)像差矯正。此外，利用表面曲率和折射率梯度相結(jié)合的光學(xué)可以減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量。

通過(guò)裁剪折射率，可以用平面代替曲面，從而降低加工成本。表面曲率也可以被添加到使用體塊和表面效果來(lái)操縱光線。

一組拋由摻雜二氧化鈦的硅玻璃3D打印而成，拋光以后的梯度折射率透鏡陣列。方格網(wǎng)邊長(zhǎng)1毫米。

這項(xiàng)新技術(shù)還可以減輕光學(xué)系統(tǒng)的重量。例如，戰(zhàn)場(chǎng)上士兵使用的輕量便攜式光學(xué)設(shè)備。

“這是我們第一次通過(guò)3d打印將兩種不同的玻璃材料結(jié)合在一起，并展示了它們的光學(xué)功能。”盡管GRIN已被證明，該方法也可用于定制其他材料或光學(xué)性能，”Dylla-Spears說(shuō)。

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