自然界中存在一種罕見的光學現象“海市蜃樓”，表現為在海面或沙漠上空出現高樓、樹木的景象。該現象是由于這些地方大氣的溫度和密度分布不均，引起折射率的梯度分布，從而導致物體的光線發生折射形成了一個虛像。非均勻折射率分布不僅會引起奇特的自然現象，也引起了科學家們的深入研究，逐漸發展為成像光學的一個分支學科——梯度折射率（GRIN）光學。梯度折射率（GRIN）光學主要研究光線在非均勻介質中的傳輸特性。實際上光線只有在均勻介質中才是直線傳播的，而在非均勻介質中是彎曲傳播的。梯度折射率光學元件的材料是非均勻的，因此折射率呈空間梯度分布，從而調控光線的傳輸方向，實現光學功能。

對于光學系統的設計，需要權衡系統成本和復雜性、尺寸和重量，以及滿足性能和壽命要求。相比通過控制材料厚度和表面曲率來控制光線傳輸的傳統元件，梯度折射率光學元件可以讓光學系統得以簡化，并減小系統的體積和重量。 另外，面對復雜的工作環境，玻璃是制備梯度折射率光學元件的首選材料。現有制備梯度折射率玻璃的方法有固體擴散法、溶膠-凝膠擴散法等，但是基于擴散的制備方法大多局限于折射率的二維（2D）梯度分布，并且步驟復雜耗時。 近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員利用多材料3D打印技術，制造出了定制梯度折射率的玻璃光學元件，該方法允許將一些原本需要曲面透鏡的光學功能直接添加到平面玻璃元件中。這項技術有望應用在軍事光學和VR眼鏡領域。該研究成果以“3D printed gradient index glass optics”為題，發表于Science Advances。 該工作的研究人員表示，這項新技術可以在平板玻璃(無表面曲率)中實現各種傳統和非傳統的光學功能，為環境穩定的玻璃材料提供了新的光學設計功能性。

墨水直寫技術

他們利用3D打印墨水直寫技術(DIW)的方法，打印裝置采用微混合器噴嘴（圖4），在噴嘴的主動混合作用下，將兩種不同二氧化鈦摻雜濃度的二氧化硅墨水混合，通過控制兩種墨水的相對流速，來調控輸出墨水的成分比例。按照設計的墨水濃度梯度打印玻璃生胚，濃度梯度決定了玻璃的折射率變化。然后對3D打印的玻璃生胚進行熱處理，去除有機成分并稠化成玻璃，最后拋光平整（圖5）。

圖4. GRIN玻璃打印裝置 原圖來自Science Advances，后經本文撰稿人編譯制作

圖5. GRIN玻璃制備流程 原圖來自Science Advances，后經本文撰稿人編譯制作

梯度折射率光學元件

該研究表明，通過控制墨水組分可以實現玻璃折射率梯度的定制，并且打印玻璃的光學質量和玻璃密度可與市面上的玻璃相媲美。他們制備了基于傳統光學透鏡的GRIN光學元件，包括球透鏡、柱透鏡和非球面透鏡（圖6）。另外，還通過制備正弦和錐形分布的GRIN元件，驗證了非單調和急劇變化的折射率梯度的可行性。

圖6. GRIN光學元件制造與表征 原圖來自Science Advances，后經本文撰稿人編譯制作 這項技術突出的優勢是可以實現GRIN元件的量身定制。雖然該工作僅展示了在圓柱體上實現二維的梯度折射率，但是這項技術可以在三維空間中控制玻璃組成，這將開啟全新的光學領域。該技術有望擴展3D打印技術的能力，制備未被發現的玻璃功能材料，在光學、傳感、封裝和微流控領域具有潛在的應用。

原文標題："梯度折射率"光學設計：3D打印的特種玻璃

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