一種3D打印精密玻璃光學器件的新方法，液態(tài)二氧化硅樹脂

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

△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，亞利桑那大學的研究人員，通過將光敏液態(tài)二氧化硅樹脂與雙光子聚合相結(jié)合 (TPP) ，使3D打印可制作復雜的玻璃微光學元件。

雙光子聚合用于打印，基于有機聚合物的高分辨率微光學新技術(shù)。但是，在實際應用中，往往受到一定的限制，因它們的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性差，以及短波長和長波長的透射率低、折射率低等問題。

無機玻璃一直用于制造光學器件。盡管越來越多的光學器件是由有機聚合物制成的，由于重量輕、成本低，無機玻璃在光學成像中仍然具有不可替代的地位，因為它具有更好的熱穩(wěn)定性、機械性能、耐化學性和紫外成像性能。但微型光學元件太小（<1mm），無法通過傳統(tǒng)的光學制造方法制造，因此需要額外的步驟，例如制造光學成型模具，來制造更小的光學器件。

這啟發(fā)了該團隊開發(fā)了一種基于預縮合二氧化硅的光敏液態(tài)二氧化硅樹脂(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，他們最終得到了高精度的復雜光學元件 。

△具有不連續(xù)結(jié)構(gòu)的3D打印光學元件。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3D打印技術(shù)實現(xiàn)高精度復雜光學器件
“這是更小和更復雜的光學元件的完美解決方案。透明玻璃光學器件可以通過600°C的熱處理制成，收縮率低至17%，”懷恩特光學科學學院梁榮光教授說�！斑@是已知的打印光學器件的最低收縮率，但我們的目標是做得更小。未來我們將優(yōu)化材料和3D打印工藝，以進一步降低收縮率。”

收縮是由燒結(jié)過程中，有機物燒盡和顆粒熔化成玻璃引起的�！皩τ诟咝阅艹上駪�用，光學元件應按規(guī)格制造，”他補充道�！拜^小的收縮率對于更準確地控制最終形狀更好。現(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)形狀的光學元件、復雜的多元件免對準光學系統(tǒng)，以及具有可移動元件的復雜多元件，免對準光學系統(tǒng)具有特殊的優(yōu)勢。

“我們的材料和打印方法，通過快速制造以前不可能的高性能玻璃微光學器件，可將先進的成像技術(shù)從實驗室，轉(zhuǎn)化為臨床內(nèi)窺鏡成像，”梁說“精密玻璃微光學器件還將為各種應用在紫外、可見光和紅外區(qū)域提供新的成像技術(shù)�！�

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

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

打印復雜的光學元件需要多長時間？
對于直徑為0.5毫米的微型物鏡，打印大約需要2小時，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
最直接的應用是生物醫(yī)學成像——從小型內(nèi)窺鏡到可穿戴傳感器。由于其在紫外、可見光、近紅外和紅外區(qū)域內(nèi)的熱穩(wěn)定性、機械性能、耐化學性和成像性能方面的獨特特性，其他潛在應用范圍非常廣泛，從消費電子到集成光子學和空間光學等。