焦点> 今日国内> 正文

“梯度折射率”光学设计:3D打印的特种玻璃

澎湃新闻 2020-12-18 06:36 大字

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#光学设计1个

Banner(商务推广)

撰稿 | JG(吉林大学 博士生)

自然界中存在一种罕见的光学现象“海市蜃楼”,表现为在海面或沙漠上空出现高楼、树木的景象。该现象是由于这些地方大气的温度和密度分布不均,引起折射率的梯度分布,从而导致物体的光线发生折射形成了一个虚像。非均匀折射率分布不仅会引起奇特的自然现象,也引起了科学家们的深入研究,逐渐发展为成像光学的一个分支学科——梯度折射率(GRIN)光学。图源: 中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组

梯度折射率(GRIN)光学主要研究光线在非均匀介质中的传输特性。实际上光线只有在均匀介质中才是直线传播的,而在非均匀介质中是弯曲传播的。梯度折射率光学元件的材料是非均匀的,因此折射率呈空间梯度分布,从而调控光线的传输方向,实现光学功能。图1. 光线在梯度折射率玻璃中传播

图源:bilibili:IYPT青年物理学家

对于光学系统的设计,需要权衡系统成本和复杂性、尺寸和重量,以及满足性能和寿命要求。相比通过控制材料厚度和表面曲率来控制光线传输的传统元件,梯度折射率光学元件可以让光学系统得以简化,并减小系统的体积和重量。

另外,面对复杂的工作环境,玻璃是制备梯度折射率光学元件的首选材料。现有制备梯度折射率玻璃的方法有固体扩散法、溶胶-凝胶扩散法等,但是基于扩散的制备方法大多局限于折射率的二维(2D)梯度分布,并且步骤复杂耗时。

近日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员利用多材料3D打印技术,制造出了定制梯度折射率的玻璃光学元件,该方法允许将一些原本需要曲面透镜的光学功能直接添加到平面玻璃元件中。这项技术有望应用在军事光学和VR眼镜领域。图2. 多材料3D打印定制GRIN光学元件

图源:3D Printing Industry

该研究成果以“3D printed gradient index glass optics”为题,发表于Science Advances。

该工作的研究人员表示,这项新技术可以在平板玻璃(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了新的光学设计功能性。图3 Science Advances 官网轮播封面图

墨水直写技术

他们利用3D打印墨水直写技术(DIW)的方法,打印装置采用微混合器喷嘴(图4),在喷嘴的主动混合作用下,将两种不同二氧化钛掺杂浓度的二氧化硅墨水混合,通过控制两种墨水的相对流速,来调控输出墨水的成分比例。按照设计的墨水浓度梯度打印玻璃生胚,浓度梯度决定了玻璃的折射率变化。然后对3D打印的玻璃生胚进行热处理,去除有机成分并稠化成玻璃,最后抛光平整(图5)。图4. GRIN玻璃打印装置

原图来自Science Advances,后经本文撰稿人编译制作图5. GRIN玻璃制备流程

原图来自Science Advances,后经本文撰稿人编译制作

梯度折射率光学元件

该研究表明,通过控制墨水组分可以实现玻璃折射率梯度的定制,并且打印玻璃的光学质量和玻璃密度可与市面上的玻璃相媲美。他们制备了基于传统光学透镜的GRIN光学元件,包括球透镜、柱透镜和非球面透镜(图6)。另外,还通过制备正弦和锥形分布的GRIN元件,验证了非单调和急剧变化的折射率梯度的可行性。图6. GRIN光学元件制造与表征

原图来自Science Advances,后经本文撰稿人编译制作

这项技术突出的优势是可以实现GRIN元件的量身定制。虽然该工作仅展示了在圆柱体上实现二维的梯度折射率,但是这项技术可以在三维空间中控制玻璃组成,这将开启全新的光学领域。该技术有望扩展3D打印技术的能力,制备未被发现的玻璃功能材料,在光学、传感、封装和微流控领域具有潜在的应用。

文章信息

Science Advances 18 Nov 2020: Vol. 6, no. 47, eabc7429

论文地址

https://doi.org/10.1126/sciadv.abc7429

开 放 投 稿:Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 网 站:www.light-am.com

敬请期待

新 刊:eLight

ISSN 2662-8643

即 将 隆 重 上 线这是中国光学发布的第1539篇,如果你觉得有帮助,转发朋友圈是对我们最大的认可

【】

本文编辑:赵阳

声明:本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题,请第一时间告知,我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除.邮箱:zhaoyang789@ciomp.ac.cn

原标题:《"梯度折射率"光学设计:3D打印的特种玻璃》

阅读原文

新闻推荐

揽月归 踏梦行 嫦娥五号带“土特产”归来仰望星空,探索之旅不止步

12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品,采用半弹道跳跃方式再入返回,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。...

 
相关推荐