一種3D打印精密玻璃光學(xué)器件的新方法，液態(tài)二氧化硅樹(shù)脂

南極熊導(dǎo)讀：光學(xué)3D打印在光學(xué)行業(yè)引起了極大的關(guān)注，但大部分研究都集中在有機(jī)聚合物上。盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但采用該技術(shù)制造精密玻璃光學(xué)元件，仍然面臨著打印過(guò)程中的收縮，以及表面形狀和質(zhì)量不足等問(wèn)題需要解決。

△孔徑數(shù)值為0.4，直徑為0.25mm的3D打印玻璃微物鏡

2022年6月2日，南極熊獲悉，亞利桑那大學(xué)的研究人員，通過(guò)將光敏液態(tài)二氧化硅樹(shù)脂與雙光子聚合相結(jié)合 (TPP) ，使3D打印可制作復(fù)雜的玻璃微光學(xué)元件。

雙光子聚合用于打印，基于有機(jī)聚合物的高分辨率微光學(xué)新技術(shù)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，往往受到一定的限制，因它們的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差，以及短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)的透射率低、折射率低等問(wèn)題。

無(wú)機(jī)玻璃一直用于制造光學(xué)器件。盡管越來(lái)越多的光學(xué)器件是由有機(jī)聚合物制成的，由于重量輕、成本低，無(wú)機(jī)玻璃在光學(xué)成像中仍然具有不可替代的地位，因?yàn)樗哂懈玫臒岱€(wěn)定性、機(jī)械性能、耐化學(xué)性和紫外成像性能。但微型光學(xué)元件太小（<1mm），無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的光學(xué)制造方法制造，因此需要額外的步驟，例如制造光學(xué)成型模具，來(lái)制造更小的光學(xué)器件。

這啟發(fā)了該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于預(yù)縮合二氧化硅的光敏液態(tài)二氧化硅樹(shù)脂(LSR)，它通常用于制備低碳密度二氧化硅氣凝膠。將其與雙光子聚合3D打印方法結(jié)合時(shí)，他們最終得到了高精度的復(fù)雜光學(xué)元件 。

△具有不連續(xù)結(jié)構(gòu)的3D打印光學(xué)元件。a) 菲涅耳表面的SEM圖像b) 1951 USAF分辨率圖像，c) 周期為1.1 μm的光柵SEM圖像

通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜光學(xué)器件
“這是更小和更復(fù)雜的光學(xué)元件的完美解決方案。透明玻璃光學(xué)器件可以通過(guò)600°C的熱處理制成，收縮率低至17%，”懷恩特光學(xué)科學(xué)學(xué)院梁榮光教授說(shuō)。“這是已知的打印光學(xué)器件的最低收縮率，但我們的目標(biāo)是做得更小。未來(lái)我們將優(yōu)化材料和3D打印工藝，以進(jìn)一步降低收縮率?！?br />
收縮是由燒結(jié)過(guò)程中，有機(jī)物燒盡和顆粒熔化成玻璃引起的?！皩?duì)于高性能成像應(yīng)用，光學(xué)元件應(yīng)按規(guī)格制造，”他補(bǔ)充道。“較小的收縮率對(duì)于更準(zhǔn)確地控制最終形狀更好?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是優(yōu)化LSR，以獲得更快的固化速度、更好的機(jī)械性能、更低的熱處理溫度和更低的收縮率。”

△組裝后的Alvarez透鏡SEM圖像

與傳統(tǒng)的拋光和成型方法相比，3D打印在制造具有自由形狀和不連續(xù)形狀的光學(xué)元件、復(fù)雜的多元件免對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，以及具有可移動(dòng)元件的復(fù)雜多元件，免對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

“我們的材料和打印方法，通過(guò)快速制造以前不可能的高性能玻璃微光學(xué)器件，可將先進(jìn)的成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)化為臨床內(nèi)窺鏡成像，”梁說(shuō)“精密玻璃微光學(xué)器件還將為各種應(yīng)用在紫外、可見(jiàn)光和紅外區(qū)域提供新的成像技術(shù)?！?br />

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“用預(yù)濃縮液態(tài)二氧化硅樹(shù)脂高精度打印復(fù)雜的玻璃成像光學(xué)元件”的論文中找到

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105595（點(diǎn)我傳送門）

打印復(fù)雜的光學(xué)元件需要多長(zhǎng)時(shí)間？
對(duì)于直徑為0.5毫米的微型物鏡，打印大約需要2小時(shí)，用丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)去除未固化的材料需要20分鐘。

具有廣泛的前景
最直接的應(yīng)用是生物醫(yī)學(xué)成像——從小型內(nèi)窺鏡到可穿戴傳感器。由于其在紫外、可見(jiàn)光、近紅外和紅外區(qū)域內(nèi)的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、耐化學(xué)性和成像性能方面的獨(dú)特特性，其他潛在應(yīng)用范圍非常廣泛，從消費(fèi)電子到集成光子學(xué)和空間光學(xué)等。