如何通过3D打印来创建可量身定制的GRIN光学器件

混合两种不同的粘弹性的玻璃原材料（Two different viscoelastic glass precursor），3D打印，然后将成品高温处理，并压实形成GRIN-lens（梯度折射率光学器件）。

梯度折射率光学器件（GRIN）的折射率随光学器件内部位置的变化而不同（链接：光速的快与慢），而不是构成常规光学透镜的均匀玻璃体。这增加了额外的自由度，可以简化光学元件的形状或增加额外的功能。例如，一种普通的GRIN透镜是具有径向变化的折射率和平坦端面的柱状玻璃件。

制造GRIN光学器件通常涉及将物质扩散到玻璃中以产生折射率梯度。这是一个耗时且可能不完全可控的过程。现在，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL；加利福尼亚州利弗莫尔）的研究人员正在使用多材料3D打印来创建可量身定制的GRIN光学器件，可以制造出更好的军事专用眼镜（military specialized eyewear）和虚拟现实眼镜（virtual reality goggles）。新技术可以在平板玻璃组件中实现多种常规和非常规光学功能（unconventional optical functions），从而在环境稳定的玻璃材料中提供新的光学设计多功能性。

通过使用3D打印的直接墨水书写（direct ink-writing，DIW）方法，主动控制将两种不同的玻璃溶胶或“墨水”的比例直接混合在一起，材料成分的梯度能够实现自由调整。使用DIW制成成分不同的光学预成型件（preform）后，将其加热以除去所有溶剂和有机化合物，致密化为玻璃，然后使用常规光学抛光进行精加工。例如，通过研磨和抛光（链接：磨抛工艺-容易造成混淆的加工）从实验平面GRIN光学器件中去除了约300μm，以去除打印线的纹理，并获得优于1 nm均方根（RMS）的表面微粗糙度。

折射率梯度来自通过3D打印过程沉积的二氧化硅纳米颗粒混合物（mix of silica nanoparticles）中二氧化钛（titania）浓度的变化。两种不同的粘弹性油墨通过喷嘴沉积-喷嘴越小，折射率梯度越平滑，但迫使油墨从喷嘴流出所需的压力也越高。研究人员在出口处使用了直径为610μm的锥形喷嘴。最终的致密部件直径约为11毫米，厚度为1-5毫米。具有抛物线浓度分布的组件的性能约为衍射极限的5倍（还制造了圆柱透镜）。

该论文的主要作者丽贝卡·迪拉·斯皮尔斯（Rebecca Dylla-Spears）表示：“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。”（“Although demonstrated for GRIN， the approach could be used to tailor other material or optical properties as well” ）。

审核编辑：彭静