Команда исследователей из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) использовала трехмерную печать из нескольких материалов, а именно прямую печать (DIW), для изготовления стеклянной оптики с настраиваемым градиентным показателем преломления (GRIN).
Такой подход позволяет программировать ряд оптических функций непосредственно в компонентах из плоского стекла - функции, которые в противном случае потребовали бы изогнутых линз. Ученые LLNL считают, что их подход может предложить невиданную ранее гибкость при проектировании стабильных деталей на основе стекла и увидеть потенциальные применения в военной оптике и очках виртуальной реальности.
Стеклянная оптика GRIN является альтернативой обычной оптике с традиционной обработкой, поскольку их материальный состав по своей сути содержит пространственный градиент. В результате в показателе преломления оптики GRIN можно наблюдать градиент, что означает, что существуют различия в том, как свет проходит через среду в разных точках. С внешней стороны линзы GRIN могут иметь совершенно плоские поверхности, но отражать свет и выполнять расширенные функции аналогично специализированным изогнутым линзам.
Самый простой пример оптики GRIN в природе - это хрусталик глаза, который изменяет свой показатель преломления в зависимости от уровня окружающего света и расстояния до наблюдаемого объекта. Хотя здесь действуют механические вариации, у многих видов линзы глаза изменяют свои показатели преломления за счет концентрации структурных белков, которые могут формировать градиенты для разных точек фокусировки.
По сути, эксперимент включал активное управление соотношением двух стеклообразующих красок в пастообразной смеси. Затем различные смеси были депонированы как необработанные материалы для 3D-печати с помощью установки DIW и дополнительно уплотнены, чтобы превратить их в стекло. В качестве последнего шага команда LLNL завершила отпечатки с помощью обычной оптической полировки, чтобы получить пригодные для использования линзы. Ребекка Дилла-Спирс, ученый из LLNL и ведущий автор исследования, объясняет: «Изменение состава материала приводит к изменению показателя преломления, когда мы превращаем его в стекло».
Новый подход дал команде новый способ полностью пространственно управлять компонентами финальной линзы, что позволило одновременно интегрировать несколько качеств, таких как фокусировка и коррекция зрения. За счет реализации этих функций на уровне материала можно уменьшить размер линзы и общий вес оптической системы.
Поскольку показатель преломления можно точно контролировать, изогнутая оптика также может быть полностью заменена плоскими линзами, что снижает затраты на окончательную обработку и упрощает сборку в сложных оптических системах.
Дилла-Спирс заключила: «Мы впервые объединили два разных стеклянных материала с помощью 3D-печати и продемонстрировали их функцию в качестве оптики. Хотя этот подход продемонстрирован для GRIN, его можно использовать также для настройки других материалов или оптических свойств».
Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «3D-печатная оптика из стекла с градиентным индексом» в соавторстве с Ребеккой Дилла-Спирс и др.
В аналогичном исследовании ранее в этом году исследователи из лаборатории ICMCB-CNRS и Университета Бордо разработали метод 3D-печати фосфатного стекла с помощью технологии FDM. Сначала вытягивая стеклянную нить с помощью башни для вытягивания волокна, исследователи смогли экструдировать сложные геометрические формы, сохранив при этом фотолюминесцентные свойства материала.
В другом месте ученые из ETH Zürich, Швейцария, ранее печатали стеклянные объекты на 3D-принтере с использованием специальной смолы и технологии цифровой обработки света. В этом методе используется вызванное фотополимеризацией разделение фаз гибридных смол, содержащих пластмассовые и органические молекулы, что позволяет создавать сложные стеклянные детали с высоким пространственным разрешением и мультиоксидным химическим составом.