"梯度折射率"光學(xué)中的3D打印特種玻璃

自然界中存在一種罕見的光學(xué)現(xiàn)象“海市蜃樓”，表現(xiàn)為在海面或沙漠上空出現(xiàn)高樓、樹木的景象。該現(xiàn)象是由于這些地方大氣的溫度和密度分布不均，引起折射率的梯度分布，從而導(dǎo)致物體的光線發(fā)生折射形成了一個(gè)虛像。非均勻折射率分布不僅會引起奇特的自然現(xiàn)象，也引起了科學(xué)家們的深入研究，逐漸發(fā)展為成像光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科——梯度折射率（GRIN）光學(xué)。梯度折射率（GRIN）光學(xué)主要研究光線在非均勻介質(zhì)中的傳輸特性。實(shí)際上光線只有在均勻介質(zhì)中才是直線傳播的，而在非均勻介質(zhì)中是彎曲傳播的。梯度折射率光學(xué)元件的材料是非均勻的，因此折射率呈空間梯度分布，從而調(diào)控光線的傳輸方向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能。

對于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要權(quán)衡系統(tǒng)成本和復(fù)雜性、尺寸和重量，以及滿足性能和壽命要求。相比通過控制材料厚度和表面曲率來控制光線傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)元件，梯度折射率光學(xué)元件可以讓光學(xué)系統(tǒng)得以簡化，并減小系統(tǒng)的體積和重量。 另外，面對復(fù)雜的工作環(huán)境，玻璃是制備梯度折射率光學(xué)元件的首選材料?，F(xiàn)有制備梯度折射率玻璃的方法有固體擴(kuò)散法、溶膠-凝膠擴(kuò)散法等，但是基于擴(kuò)散的制備方法大多局限于折射率的二維（2D）梯度分布，并且步驟復(fù)雜耗時(shí)。 近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用多材料3D打印技術(shù)，制造出了定制梯度折射率的玻璃光學(xué)元件，該方法允許將一些原本需要曲面透鏡的光學(xué)功能直接添加到平面玻璃元件中。這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用在軍事光學(xué)和VR眼鏡領(lǐng)域。該研究成果以“3D printed gradient index glass optics”為題，發(fā)表于Science Advances。 該工作的研究人員表示，這項(xiàng)新技術(shù)可以在平板玻璃(無表面曲率)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)定的玻璃材料提供了新的光學(xué)設(shè)計(jì)功能性。

墨水直寫技術(shù)

他們利用3D打印墨水直寫技術(shù)(DIW)的方法，打印裝置采用微混合器噴嘴（圖4），在噴嘴的主動(dòng)混合作用下，將兩種不同二氧化鈦摻雜濃度的二氧化硅墨水混合，通過控制兩種墨水的相對流速，來調(diào)控輸出墨水的成分比例。按照設(shè)計(jì)的墨水濃度梯度打印玻璃生胚，濃度梯度決定了玻璃的折射率變化。然后對3D打印的玻璃生胚進(jìn)行熱處理，去除有機(jī)成分并稠化成玻璃，最后拋光平整（圖5）。

圖4. GRIN玻璃打印裝置 原圖來自Science Advances，后經(jīng)本文撰稿人編譯制作

圖5. GRIN玻璃制備流程 原圖來自Science Advances，后經(jīng)本文撰稿人編譯制作

梯度折射率光學(xué)元件

該研究表明，通過控制墨水組分可以實(shí)現(xiàn)玻璃折射率梯度的定制，并且打印玻璃的光學(xué)質(zhì)量和玻璃密度可與市面上的玻璃相媲美。他們制備了基于傳統(tǒng)光學(xué)透鏡的GRIN光學(xué)元件，包括球透鏡、柱透鏡和非球面透鏡（圖6）。另外，還通過制備正弦和錐形分布的GRIN元件，驗(yàn)證了非單調(diào)和急劇變化的折射率梯度的可行性。

圖6. GRIN光學(xué)元件制造與表征 原圖來自Science Advances，后經(jīng)本文撰稿人編譯制作 這項(xiàng)技術(shù)突出的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)GRIN元件的量身定制。雖然該工作僅展示了在圓柱體上實(shí)現(xiàn)二維的梯度折射率，但是這項(xiàng)技術(shù)可以在三維空間中控制玻璃組成，這將開啟全新的光學(xué)領(lǐng)域。該技術(shù)有望擴(kuò)展3D打印技術(shù)的能力，制備未被發(fā)現(xiàn)的玻璃功能材料，在光學(xué)、傳感、封裝和微流控領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。

原文標(biāo)題："梯度折射率"光學(xué)設(shè)計(jì)：3D打印的特種玻璃

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