“梯度折射率”光学设计：3D打印的特种玻璃

来源:澎湃新闻 2020-12-18 06:36 https://www.yybnet.net/

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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