3D打印玻璃增强光学设计的灵活性

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员利用多材料3D打印技术，制造出了特制的梯度折射率玻璃光学器件，可用于制造更好的军人专用眼镜和虚拟现实眼镜。

这项新技术可以在平板玻璃元件(无表面曲率)中实现各种传统和非传统的光学功能，为环境稳定的玻璃材料提供新的光学设计多功能性。

通过主动控制两种不同的玻璃成型浆料或“墨水”的比例，利用3d打印的直接墨水书写(DIW)方法，该团队能够调整材料成分的梯度。用DIW制成变组合光学预模后，再将其致密成玻璃，然后用常规光学抛光完成。

这是对未来自动化生产过程的艺术渲染，用于定制GRIN光学，展示了多材料3D打印的定制合成光学预制件，通过热处理、抛光和使用折射率梯度检查最终光学转化为玻璃。

LLNL的科学家Rebecca Dylla-Spears说:“一旦我们将其转化为玻璃，材料成分的变化会导致折射率的变化。”Rebecca Dylla-Spears是今天发表在《科学进展》上的一篇论文的主要作者。

该项目始于2016年，当时该团队开始研究如何利用加法制造来推进光学和光学系统。因为加法制造提供了控制结构和成分的能力，它为梯度折射率玻璃镜片的制造提供了一条新的途径。

梯度折射率(GRIN)光学提供了传统完成光学的替代。梯度折射率光学在材料组成中包含空间梯度，它在材料的折射率中提供梯度，从而改变光通过介质的方式。GRIN镜头可以有一个平坦的表面轮廓，但仍然执行相同的光学功能，作为等效的传统镜头。

由于眼球晶状体的进化，GRIN光学已经存在于自然界中。在大多数物种中都可以找到这样的例子，其中穿过眼球晶状体的折射率的变化是由结构蛋白浓度的变化所控制的。

完全空间控制材料组成和光学功能的能力为GRIN光学设计提供了新的选择。例如，多种功能可以设计成一个单一的光学，如聚焦结合常见光学像差矫正。此外，利用表面曲率和折射率梯度相结合的光学可以减小光学系统的尺寸和重量。

通过裁剪折射率，可以用平面代替曲面，从而降低加工成本。表面曲率也可以被添加到使用体块和表面效果来操纵光线。

一组抛由掺杂二氧化钛的硅玻璃3D打印而成，抛光以后的梯度折射率透镜阵列。方格网边长1毫米。

这项新技术还可以减轻光学系统的重量。例如，战场上士兵使用的轻量便携式光学设备。

“这是我们第一次通过3d打印将两种不同的玻璃材料结合在一起，并展示了它们的光学功能。”尽管GRIN已被证明，该方法也可用于定制其他材料或光学性能，”Dylla-Spears说。

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-d-printed-glass-optical-flexibility.html