Rendu artistique d'un futur processus de production automatisé ambitieux pour les optiques GRIN personnalisées, montrant l'impression 3D multi-matériaux d'une préforme optique de composition sur mesure, transformation en verre par traitement thermique, polissage et inspection de l'optique finale avec des gradients d'indice de réfraction. Crédit :Jacob Long et Brian Chavez.
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont utilisé l'impression 3D multi-matériaux pour créer des optiques en verre à gradient d'indice de réfraction sur mesure qui pourraient permettre de meilleures lunettes spécialisées militaires et des lunettes de réalité virtuelle.
La nouvelle technique pourrait réaliser une variété de fonctions optiques conventionnelles et non conventionnelles dans un composant en verre plat (sans courbure de surface), offrant une nouvelle polyvalence de conception optique dans des matériaux de verre respectueux de l'environnement.
L'équipe a pu adapter le gradient dans les compositions des matériaux en contrôlant activement le rapport de deux pâtes ou « encres » différentes pour former du verre mélangées en ligne à l'aide de la méthode d'écriture directe à l'encre (DIW) d'impression 3D. Une fois la préforme optique à composition variable construite à l'aide de DIW, il est ensuite densifié en verre et peut être fini à l'aide d'un polissage optique conventionnel.
"Le changement de composition du matériau entraîne un changement d'indice de réfraction une fois que nous le convertissons en verre, " a déclaré Rebecca Dylla-Spears, scientifique du LLNL, auteur principal d'un article paru aujourd'hui dans Avancées scientifiques .
Le projet a débuté en 2016 lorsque l'équipe a commencé à chercher des moyens d'utiliser la fabrication additive pour faire progresser l'optique et les systèmes optiques. Parce que la fabrication additive offre la possibilité de contrôler à la fois la structure et la composition, il a ouvert une nouvelle voie à la fabrication de lentilles en verre à gradient d'indice de réfraction.
Les optiques à indice de réfraction à gradient (GRIN) offrent une alternative aux optiques à finition conventionnelle. Les optiques GRIN contiennent un gradient spatial dans la composition des matériaux, qui fournit un gradient dans l'indice de réfraction du matériau, modifiant la façon dont la lumière se déplace à travers le milieu. Une lentille GRIN peut avoir une surface plane tout en remplissant la même fonction optique qu'une lentille conventionnelle équivalente.
L'optique GRIN existe déjà dans la nature en raison de l'évolution des lentilles oculaires. Des exemples peuvent être trouvés dans la plupart des espèces, où le changement de l'indice de réfraction à travers le cristallin de l'œil est régi par la concentration variable de protéines structurelles.
La capacité de contrôler entièrement dans l'espace la composition des matériaux et la fonctionnalité optique offre de nouvelles options pour la conception optique GRIN. Par exemple, de multiples fonctionnalités pourraient être conçues dans une seule optique, telles que la mise au point combinée à la correction des aberrations optiques courantes. En outre, il a été démontré que l'utilisation d'optiques combinant une courbure de surface et des gradients d'indice de réfraction a le potentiel de réduire la taille et le poids des systèmes optiques.
En adaptant l'indice, une optique courbe peut être remplacée par une surface plane, ce qui pourrait réduire les coûts de finition. La courbure de surface pourrait également être ajoutée pour manipuler la lumière en utilisant à la fois des effets de volume et de surface.
Une gamme de poli, Lentilles à gradient d'indice de réfraction imprimées en 3D en verre de silice dopé à l'oxyde de titane. Les carrés de la grille mesurent 1 millimètre de côté. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
La nouvelle technique peut également économiser du poids dans les systèmes optiques. Par exemple, il est essentiel que les optiques utilisées par les soldats sur le terrain soient légères et portables.
« C'est la première fois que nous combinons deux matériaux de verre différents par impression 3D et que nous démontrons leur fonction en tant qu'optique. Bien que démontré pour GRIN, l'approche pourrait également être utilisée pour adapter d'autres propriétés matérielles ou optiques, " a déclaré Dylla-Spears.
