3-D-printet glas forbedrer den optiske designfleksibilitet

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har brugt multi-materiale 3-D print til at skabe skræddersyet gradient brydningsindeks glasoptik, der kunne give bedre militær specialiserede briller og virtual reality briller.

Den nye teknik kunne opnå en række konventionelle og ukonventionelle optiske funktioner i en flad glaskomponent (uden overfladekrumning), tilbyder nyt optisk design alsidigt i miljøstabile glasmaterialer.

Holdet var i stand til at skræddersy gradienten i materialesammensætningerne ved aktivt at kontrollere forholdet mellem to forskellige glasdannende pastaer eller "blæk" blandet sammen inline ved hjælp af DIW-metoden (direct ink writing) til 3-D-udskrivning. Efter at den sammensætningsvarierende optiske præform er bygget ved hjælp af DIW, det fortættes derefter til glas og kan efterbehandles med konventionel optisk polering.

"Ændringen i materialesammensætning fører til en ændring i brydningsindeks, når vi konverterer det til glas, " sagde LLNL videnskabsmand Rebecca Dylla-Spears, hovedforfatter på et papir, der vises i dag i Videnskabens fremskridt .

Projektet startede i 2016, da holdet begyndte at se på måder, hvorpå additiv fremstilling kunne bruges til at fremme optik og optiske systemer. Fordi additiv fremstilling giver mulighed for at kontrollere både struktur og sammensætning, det gav en ny vej til fremstilling af glaslinser med gradient brydningsindeks.

Gradient refractive index (GRIN) optik giver et alternativ til konventionelt færdig optik. GRIN-optik indeholder en rumlig gradient i materialesammensætning, som giver en gradient i materialets brydningsindeks - ændrer, hvordan lyset bevæger sig gennem mediet. Et GRIN-objektiv kan have en flad overfladefigur, men stadig udføre den samme optiske funktion som en tilsvarende konventionel linse.

GRIN-optik eksisterer allerede i naturen på grund af udviklingen af ​​øjenlinser. Eksempler kan findes i de fleste arter, hvor ændringen i brydningsindeks over øjenlinsen er styret af den varierende koncentration af strukturelle proteiner.

Evnen til fuldt rumligt at kontrollere materialesammensætning og optisk funktionalitet giver nye muligheder for GRIN optisk design. For eksempel, flere funktionaliteter kunne designes til en enkelt optik, såsom fokusering kombineret med korrektion af almindelige optiske aberrationer. Ud over, det har vist sig, at brugen af ​​optik med kombineret overfladekrumning og gradienter i brydningsindeks har potentialet til at reducere størrelsen og vægten af ​​optiske systemer.

Ved at skræddersy indekset, en buet optik kan erstattes med en flad overflade, hvilket kan reducere efterbehandlingsomkostningerne. Overfladekrumning kan også tilføjes for at manipulere lys ved hjælp af både bulk- og overfladeeffekter.

Den nye teknik kan også spare vægt i optiske systemer. For eksempel, det er afgørende, at optik, der bruges af soldater i felten, er let og bærbar.

"Det er første gang, vi har kombineret to forskellige glasmaterialer ved 3-D-print og demonstreret deres funktion som optik. Selvom det er demonstreret for GRIN, tilgangen kan også bruges til at skræddersy andre materialer eller optiske egenskaber, " sagde Dylla-Spears.