「梯度折射率」光學設計:3D列印的特種玻璃

2021-01-07 澎湃新聞

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撰稿 | JG（吉林大學 博士生）

自然界中存在一種罕見的光學現象「海市蜃樓」，表現為在海面或沙漠上空出現高樓、樹木的景象。該現象是由於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，從而導致物體的光線發生折射形成了一個虛像。非均勻折射率分布不僅會引起奇特的自然現象，也引起了科學家們的深入研究，逐漸發展為成像光學的一個分支學科——梯度折射率（GRIN）光學。

圖源： 中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

梯度折射率（GRIN）光學主要研究光線在非均勻介質中的傳輸特性。實際上光線只有在均勻介質中才是直線傳播的，而在非均勻介質中是彎曲傳播的。梯度折射率光學元件的材料是非均勻的，因此折射率呈空間梯度分布，從而調控光線的傳輸方向，實現光學功能。

圖1. 光線在梯度折射率玻璃中傳播

圖源：bilibili：IYPT青年物理學家

對於光學系統的設計，需要權衡系統成本和複雜性、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的傳統元件，梯度折射率光學元件可以讓光學系統得以簡化，並減小系統的體積和重量。

另外，面對複雜的工作環境，玻璃是製備梯度折射率光學元件的首選材料。現有製備梯度折射率玻璃的方法有固體擴散法、溶膠-凝膠擴散法等，但是基於擴散的製備方法大多局限於折射率的二維（2D）梯度分布，並且步驟複雜耗時。

近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員利用多材料3D列印技術，製造出了定製梯度折射率的玻璃光學元件，該方法允許將一些原本需要曲面透鏡的光學功能直接添加到平面玻璃元件中。這項技術有望應用在軍事光學和VR眼鏡領域。

圖2. 多材料3D列印定製GRIN光學元件

圖源：3D Printing Industry

該研究成果以「3D printed gradient index glass optics」為題，發表於Science Advances。

該工作的研究人員表示，這項新技術可以在平板玻璃(無表面曲率)中實現各種傳統和非傳統的光學功能，為環境穩定的玻璃材料提供了新的光學設計功能性。

圖3 Science Advances 官網輪播封面圖

墨水直寫技術

他們利用3D列印墨水直寫技術(DIW)的方法，列印裝置採用微混合器噴嘴（圖4），在噴嘴的主動混合作用下，將兩種不同二氧化鈦摻雜濃度的二氧化矽墨水混合，通過控制兩種墨水的相對流速，來調控輸出墨水的成分比例。按照設計的墨水濃度梯度列印玻璃生胚，濃度梯度決定了玻璃的折射率變化。然後對3D列印的玻璃生胚進行熱處理，去除有機成分並稠化成玻璃，最後拋光平整（圖5）。

圖4. GRIN玻璃列印裝置

原圖來自Science Advances，後經本文撰稿人編譯製作

圖5. GRIN玻璃製備流程

原圖來自Science Advances，後經本文撰稿人編譯製作

梯度折射率光學元件

該研究表明，通過控制墨水組分可以實現玻璃折射率梯度的定製，並且列印玻璃的光學質量和玻璃密度可與市面上的玻璃相媲美。他們製備了基於傳統光學透鏡的GRIN光學元件，包括球透鏡、柱透鏡和非球面透鏡（圖6）。另外，還通過製備正弦和錐形分布的GRIN元件，驗證了非單調和急劇變化的折射率梯度的可行性。

圖6. GRIN光學元件製造與表徵

原圖來自Science Advances，後經本文撰稿人編譯製作

這項技術突出的優勢是可以實現GRIN元件的量身定製。雖然該工作僅展示了在圓柱體上實現二維的梯度折射率，但是這項技術可以在三維空間中控制玻璃組成，這將開啟全新的光學領域。該技術有望擴展3D列印技術的能力，製備未被發現的玻璃功能材料，在光學、傳感、封裝和微流控領域具有潛在的應用。

文章信息

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

論文地址

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

開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 網 站：www.light-am.com

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新 刊：eLight

ISSN 2662-8643

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☞ 本文編輯：趙陽

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原標題：《"梯度折射率"光學設計：3D列印的特種玻璃》

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