Renderização artística de um futuro processo de produção automatizado aspiracional para óptica GRIN personalizada, mostrando a impressão 3D multimaterial de uma pré-forma óptica de composição sob medida, conversão em vidro por meio de tratamento térmico, polimento e inspeção da ótica final com gradientes de índice de refração. Crédito:Jacob Long e Brian Chavez.
Os pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) usaram a impressão 3D de vários materiais para criar ótica de vidro de índice de refração gradiente sob medida que poderia fazer para melhores óculos militares especializados e óculos de realidade virtual.
A nova técnica pode alcançar uma variedade de funções ópticas convencionais e não convencionais em um componente de vidro plano (sem curvatura de superfície), oferecendo nova versatilidade de design óptico em materiais de vidro ambientalmente estáveis.
A equipe foi capaz de ajustar o gradiente nas composições do material controlando ativamente a proporção de duas pastas formadoras de vidro diferentes ou "tintas" misturadas em linha usando o método de escrita direta com tinta (DIW) de impressão 3-D. Depois que a pré-forma óptica de composição variável é construída usando DIW, é então densificado para vidro e pode ser acabado usando polimento óptico convencional.
"A mudança na composição do material leva a uma mudança no índice de refração, uma vez que o convertemos em vidro, "disse a cientista do LLNL Rebecca Dylla-Spears, autor principal de um artigo publicado hoje em Avanços da Ciência .
O projeto começou em 2016, quando a equipe começou a procurar maneiras de usar a manufatura aditiva para aprimorar a óptica e os sistemas ópticos. Como a manufatura aditiva oferece a capacidade de controlar a estrutura e a composição, ele forneceu um novo caminho para a fabricação de lentes de vidro de índice de refração gradiente.
A ótica de índice de refração gradiente (GRIN) oferece uma alternativa às óticas com acabamento convencional. A ótica GRIN contém um gradiente espacial na composição do material, que fornece um gradiente no índice de refração do material - alterando como a luz viaja através do meio. Uma lente GRIN pode ter uma superfície plana, mas ainda assim realizar a mesma função ótica de uma lente convencional equivalente.
A ótica GRIN já existe na natureza devido à evolução das lentes oculares. Exemplos podem ser encontrados na maioria das espécies, onde a mudança no índice de refração através da lente do olho é governada pela concentração variável de proteínas estruturais.
A capacidade de controlar totalmente espacialmente a composição do material e a funcionalidade óptica oferece novas opções para o design óptico GRIN. Por exemplo, múltiplas funcionalidades podem ser projetadas em uma única ótica, como a focagem combinada com a correção de aberrações ópticas comuns. Além disso, foi demonstrado que o uso de óptica com curvatura de superfície combinada e gradientes no índice de refração tem o potencial de reduzir o tamanho e o peso dos sistemas ópticos.
Adaptando o índice, uma óptica curva pode ser substituída por uma superfície plana, o que poderia reduzir os custos de acabamento. A curvatura da superfície também pode ser adicionada para manipular a luz usando efeitos de massa e de superfície.
Uma variedade de polidos, Lentes de índice de refração gradiente impressas em 3D feitas de vidro de sílica dopado com titânia. Os quadrados da grade têm 1 milímetro de cada lado. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
A nova técnica também pode economizar peso em sistemas ópticos. Por exemplo, é fundamental que a ótica usada pelos soldados em campo seja leve e portátil.
"Esta é a primeira vez que combinamos dois materiais de vidro diferentes por impressão 3-D e demonstramos sua função como óptica. Embora demonstrado para GRIN, a abordagem pode ser usada para adaptar outro material ou propriedades ópticas também, "Dylla-Spears disse.
