Representación artística de un futuro proceso de producción automatizado con aspiraciones para ópticas GRIN personalizadas, que muestra la impresión 3D de múltiples materiales de una preforma óptica de composición personalizada, conversión a vidrio mediante tratamiento térmico, pulido e inspección de la óptica final con gradientes de índice de refracción. Crédito:Jacob Long y Brian Chavez.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han utilizado la impresión 3D de múltiples materiales para crear ópticas de vidrio de índice de refracción de gradiente a medida que podrían ser mejores anteojos militares especializados y gafas de realidad virtual.
La nueva técnica podría lograr una variedad de funciones ópticas convencionales y no convencionales en un componente de vidrio plano (sin curvatura de la superficie), ofreciendo una nueva versatilidad de diseño óptico en materiales de vidrio ecológicamente estables.
El equipo pudo adaptar el gradiente en las composiciones del material controlando activamente la proporción de dos pastas o "tintas" diferentes para formar vidrio mezcladas en línea utilizando el método de escritura directa con tinta (DIW) de impresión 3D. Una vez construida la preforma óptica de composición variable con DIW, luego se densifica a vidrio y se puede terminar usando pulido óptico convencional.
"El cambio en la composición del material conduce a un cambio en el índice de refracción una vez que lo convertimos en vidrio, "dijo la científica de LLNL Rebecca Dylla-Spears, autor principal de un artículo que aparece hoy en Avances de la ciencia .
El proyecto comenzó en 2016 cuando el equipo comenzó a buscar formas en que la fabricación aditiva podría usarse para promover la óptica y los sistemas ópticos. Debido a que la fabricación aditiva ofrece la capacidad de controlar tanto la estructura como la composición, proporcionó un nuevo camino para la fabricación de lentes de vidrio con índice de refracción gradiente.
Las ópticas de índice de refracción gradiente (GRIN) proporcionan una alternativa a las ópticas con acabado convencional. La óptica GRIN contiene un gradiente espacial en la composición del material, que proporciona un gradiente en el índice de refracción del material, alterando la forma en que la luz viaja a través del medio. Una lente GRIN puede tener una figura de superficie plana y aun así realizar la misma función óptica que una lente convencional equivalente.
La óptica GRIN ya existe en la naturaleza debido a la evolución de las lentes oculares. Se pueden encontrar ejemplos en la mayoría de las especies, donde el cambio en el índice de refracción a través del cristalino del ojo está gobernado por la concentración variable de proteínas estructurales.
La capacidad de controlar completamente la composición del material y la funcionalidad óptica proporciona nuevas opciones para el diseño óptico de GRIN. Por ejemplo, múltiples funcionalidades podrían diseñarse en una sola óptica, como el enfoque combinado con la corrección de aberraciones ópticas comunes. Además, Se ha demostrado que el uso de ópticas con curvatura superficial combinada y gradientes en el índice de refracción tiene el potencial de reducir el tamaño y el peso de los sistemas ópticos.
Al adaptar el índice, una óptica curva se puede sustituir por una superficie plana, lo que podría reducir los costos de acabado. La curvatura de la superficie también podría agregarse para manipular la luz utilizando efectos tanto de volumen como de superficie.
Una variedad de pulidos, Lentes de índice de refracción de gradiente impresas en 3D hechas de vidrio de sílice dopado con titania. Los cuadrados de la cuadrícula tienen 1 milímetro de cada lado. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
La nueva técnica también puede ahorrar peso en los sistemas ópticos. Por ejemplo, Es fundamental que las ópticas que utilizan los soldados sobre el terreno sean ligeras y portátiles.
"Esta es la primera vez que combinamos dos materiales de vidrio diferentes mediante impresión 3-D y demostramos su función como óptica. Aunque se demostró para GRIN, el enfoque también podría utilizarse para adaptar otros materiales o propiedades ópticas, "Dijo Dylla-Spears.
