Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben multi-materiaal 3D-printen gebruikt om op maat gemaakte gradiëntbrekingsindexglasoptieken te creëren die zouden kunnen zorgen voor betere militaire gespecialiseerde brillen en virtual reality-brillen.

De nieuwe techniek zou een verscheidenheid aan conventionele en onconventionele optische functies kunnen bereiken in een vlakglascomponent (zonder oppervlaktekromming), biedt nieuwe optische ontwerpveelzijdigheid in milieustabiele glasmaterialen.

Het team was in staat om de gradiënt in de materiaalsamenstellingen aan te passen door actief de verhouding te regelen van twee verschillende glasvormende pasta's of "inkten" die inline met elkaar zijn gemengd met behulp van de direct ink-schrijfmethode (DIW) van 3D-printen. Nadat de van samenstelling variërende optische preform is gebouwd met behulp van DIW, het wordt vervolgens verdicht tot glas en kan worden afgewerkt met conventioneel optisch polijsten.

"De verandering in materiaalsamenstelling leidt tot een verandering in de brekingsindex zodra we het in glas omzetten, " zei LLNL-wetenschapper Rebecca Dylla-Spears, hoofdauteur van een paper dat vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

Het project begon in 2016 toen het team begon te kijken naar manieren waarop additieve fabricage kan worden gebruikt om optica en optische systemen vooruit te helpen. Omdat additieve fabricage de mogelijkheid biedt om zowel structuur als samenstelling te controleren, het bood een nieuwe weg naar de productie van glazen lenzen met een gradiëntbrekingsindex.

Gradiëntbrekingsindex (GRIN)-optieken bieden een alternatief voor conventioneel afgewerkte optica. GRIN-optieken bevatten een ruimtelijke gradiënt in materiaalsamenstelling, die zorgt voor een gradiënt in de materiële brekingsindex, waardoor de manier waarop licht door het medium reist verandert. Een GRIN-lens kan een vlak oppervlak hebben en toch dezelfde optische functie vervullen als een gelijkwaardige conventionele lens.

GRIN-optieken bestaan ​​al in de natuur vanwege de evolutie van ooglenzen. Voorbeelden zijn te vinden in de meeste soorten, waarbij de verandering in brekingsindex over de ooglens wordt bepaald door de variërende concentratie van structurele eiwitten.

De mogelijkheid om de materiaalsamenstelling en optische functionaliteit volledig ruimtelijk te regelen, biedt nieuwe opties voor GRIN optisch ontwerp. Bijvoorbeeld, meerdere functionaliteiten kunnen worden ontworpen in een enkele optiek, zoals scherpstellen gecombineerd met correctie van veelvoorkomende optische aberraties. In aanvulling, het is aangetoond dat het gebruik van optica met gecombineerde oppervlaktekromming en gradiënten in brekingsindex het potentieel heeft om de grootte en het gewicht van optische systemen te verminderen.

Door de index aan te passen, een gebogen optiek kan worden vervangen door een plat oppervlak, wat de afwerkingskosten zou kunnen verlagen. Oppervlaktekromming kan ook worden toegevoegd om licht te manipuleren met zowel bulk- als oppervlakte-effecten.

De nieuwe techniek kan ook gewicht besparen in optische systemen. Bijvoorbeeld, het is van cruciaal belang dat optica die door soldaten in het veld wordt gebruikt, licht en draagbaar is.

"Dit is de eerste keer dat we twee verschillende glasmaterialen hebben gecombineerd door middel van 3D-printen en hun functie als optiek hebben gedemonstreerd. Hoewel gedemonstreerd voor GRIN, de aanpak kan ook worden gebruikt om andere materiaal- of optische eigenschappen aan te passen, ' zei Dylla-Spears.