LLNL科学家通过直接墨水书写技术3D打印定制玻璃镜片

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一组研究人员已经使用了多种材料的3D打印技术，即直接墨水书写（DIW），来制造高度定制的梯度折射率（GRIN）玻璃光学器件。

该方法允许将许多光学功能直接编程到平板玻璃组件中，否则这些功能将需要曲面透镜。LLNL的科学家相信，他们的方法可以为稳定的玻璃制零件提供前所未有的设计灵活性，并看到在军事光学和VR眼镜中的潜在应用。

定制GRIN光学器件的未来自动化生产过程的艺术性渲染，展示了量身定制的光学预制件的多材料3D打印。图片来自Jacob Long和Brian Chavez。

GRIN光学

GRIN玻璃光学器件是常规常规成品光学器件的替代产品，因为它们的材料成分固有地包含空间梯度。结果，可以在GRIN光学器件的折射率中观察到梯度，这意味着光在不同点通过介质的传播方式有所不同。在外部，GRIN透镜可以具有完全平坦的表面，但是可以像特殊的弯曲透镜一样弯曲光线并执行高级功能。

自然界中最基本的GRIN光学器件示例是眼透镜，它会根据环境光水平和被观察物体的距离来改变其折射率。尽管工作中存在机械变化，但许多物种的眼镜片会通过结构蛋白的浓度改变其折射率，这些结构蛋白可为不同焦点形成梯度。

由掺杂二氧化钛的石英玻璃制成的一系列抛光3D打印渐变折射率透镜。网格正方形的每一侧均为1毫米。图片来自LLNL。

用于高级光学的多种材料DIW

该实验的核心是积极控制糊状共混物中两种玻璃油墨的比例。然后，使用DIW装置将各种共混物沉积为原始3D打印材料，并进一步致密化后将其变成玻璃。作为最后一步，LLNL团队通过常规光学抛光完成了印刷品，以生产出可用的镜片。LLNL科学家，该研究的主要作者丽贝卡·狄拉·斯皮尔斯（Rebecca Dylla-Spears）解释说：“一旦将其转换为玻璃，材料成分的变化就会导致折射率的变化。”

新颖的方法为团队提供了一种在空间上完全控制最终镜头组件的新方法，从而可以同时集成多种品质，例如聚焦和视力矫正。通过在材料级别实现这些功能，可以减小透镜的尺寸和光学系统的整体重量。由于可以严格控制折射率，因此弯曲光学器件也可以完全由平面透镜代替，从而降低了加工成本，并简化了在复杂光学系统中的组装。

Dylla-Spears总结道：“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，并展示了它们作为光学元件的功能。尽管已针对GRIN进行了演示，但该方法还可用于定制其他材料或光学特性。”

SiO2和SiO2-TiO2的直接墨水书写过程。图片来自LLNL。

该研究的进一步细节可以在题为“的论文中找到3 d印刷梯度折射率光学玻璃”。由Rebecca Dylla-Spears等人合着。

在一项类似的研究在今年早些时候，研究人员从ICMCB-CNRS实验室和波尔多大学开发的方法，3D打印磷酸盐玻璃通过FDM技术。通过首先使用纤维拉伸塔拉出玻璃丝，研究人员能够挤出复杂的几何形状，同时保持材料的光致发光特性。

在其他地方，瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家此前曾使用特殊的树脂和数字光处理技术进行3D打印玻璃物体。该方法利用了光聚合引发的包含塑料和有机分子的杂化树脂的相分离，从而使复杂的玻璃部件具有较高的空间分辨率和多种氧化物的化学成分。