[發明專利]一種多尺度可見光波段梯度折射率透鏡的制備方法

有效

• 申請號: 201810068284.6
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108274738B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 朱曉陽;王赫;胡玉杰;蘭紅波;彭子龍;王飛
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B33Y10/00;B29L11/00;B29K35/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張曉鵬

本發明公開了一種多尺度可見光波段梯度折射率透鏡的制備方法，包括如下步驟：1)采用多材料電噴印3D打印機實時連續混合制備不同設定比例的己二醇二丙烯酸酯與納米粒子的混合溶液；2)將不同濃度的納米粒子的混合溶液逐層電噴射至與之相匹配的成形底板或成形裝置內，固化成型，即得設定折射率分布的梯度折射率透鏡。該方法不僅可以實現微尺度至宏尺度梯折透鏡的制備，而且可制得折射率梯度較大及梯度分布易于控制的梯折透鏡。同時，該方法簡化了梯折透鏡的制備過程，降低了制備成本及提高了梯折透鏡的性能。

技術領域

本發明屬于光學制造領域，具體涉及一種多尺度可見光波段梯度折射率透鏡的制備方法。

技術背景

梯度折射率透鏡(梯折透鏡)是使用梯度折射率介質設計和制作的一種光學元件，與折射率均勻分布的透鏡相比，梯折透鏡的數值孔徑大、焦距短、消像差能力強，在光纖通訊、光學傳感、內窺醫療器械、光計算及仿生學等光學應用中可發揮重要的作用。然而，梯折透鏡及其陣列的制備仍然是制約梯折透鏡應用及發展的重要問題。早在公元100年，人類就已經開始認識梯折透鏡，但直到1969年日本的北野首先采用離子交換法制得了0.1-1mm的徑向梯折透鏡，也稱自聚焦透鏡。上世紀七十年代，日本的I.Kitano及Rochester大學的E.W.Marchard，P.J.Sand與D.T.Moore等分別對梯折透鏡的材料、制備及檢測方法進行了研究。在我國，西安光機所研究人員及劉德森教授等率先開展了自聚焦透鏡的研究，經多年發展，制備了異形孔徑梯折微透鏡陣列等多種梯折透鏡陣列。目前為止，出現了多種梯折微鏡陣列的制備方法，但只有離子交換法制得的梯折透鏡陣列已達到實用水平，然而，離子交換法存在著工藝過程復雜且擴散深度小的問題。對于其他工藝方法，或者工藝過程復雜，或者透鏡折射率梯度及尺寸不易控制。

近年來，隨著新工藝與新材料的發展，出現了一些梯折透鏡制備的新工藝，具有代表性的為微納米層共擠成型法及3D打印法。微納米層共擠成型法相比傳統方法具有可制得折射率差大的梯折透鏡等優勢，然而，微納米層共擠成型工藝過程復雜且難以制備微尺度梯折透鏡陣列；3D打印法制備梯折透鏡近年來得到眾多學者的廣泛研究，報道最多的是利用3D打印技術制備特征尺寸遠小于電磁波長的周期性結構，構成超材料梯折透鏡，如太赫茲梯折透鏡、龍伯透鏡天線、光子晶體及梯折微波器件等，然而，采用3D打印法仍然難以加工用于可見光波段的超材料梯折透鏡，盡管飛秒激光微納3D打印法使得可見光波段超材料梯折透鏡的制備成為了可能，但飛秒激光微納3D打印設備較貴，加工成本較高。由此，研究人員提出采用3D打印法打印混合流體直接制備可見光波段梯折透鏡，并對適于3D打印的透鏡材料進行了研究，研發了以己二醇二丙烯酸酯(hexanediol-diacrylate,HDODA)與納米粒子混合材料為代表的打印材料，并提出了采用多噴頭3D打印的工藝方案。然而，梯度大且層厚小的梯折透鏡制備需要較多的噴頭數量，這無疑增加了3D打印系統的復雜性，且一次只能制備一種折射率分布的梯折透鏡(變更透鏡折射率分布需更換每個噴頭內的打印材料)；同時，制備微尺度的梯折透鏡陣列時，折射率梯度的調控更為不便。另外，該方法仍處于工藝方案論證及設計階段，目前為止，并未出現采用該方法制備梯折透鏡的相關報道。

綜上所述，盡管隨著3D打印等新興制造技術的快速發展，高性能梯折透鏡的高效率、低成本及簡單化制備成為了可能，然而，目前為止，并沒有出現一種技術或者工藝能夠實現從微尺度到宏尺度的可見光波段梯折透鏡的高效率、低成本制備。

發明內容

為了解決以上技術問題，本發明目的是提供一種多尺度可見光波段梯度折射率透鏡的制備方法。該方法不僅可以實現微尺度至宏尺度梯折透鏡的制備，而且可制得折射率梯度較大及梯度分布易于控制的梯折透鏡。同時，該方法簡化了梯折透鏡的制備過程，降低了制備成本及提高了梯折透鏡的性能。

為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：

一種多尺度可見光波段梯度折射率透鏡的制備方法，包括如下步驟：