一种3D打印精密玻璃光学器件的新方法，液态二氧化硅树脂

光学3D打印在光学行业引起了极大的关注，但大部分研究都集中在有机聚合物上。尽管已经取得了一定的进展，但采用该技术制造精密玻璃光学元件，仍然面临着打印过程中的收缩，以及表面形状和质量不足等问题需要解决。
 

△孔径数值为0.4，直径为0.25mm的3D打印玻璃微物镜

2022年6月2日，亚利桑那大学的研究人员，通过将光敏液态二氧化硅树脂与双光子聚合相结合 (TPP) ，使3D打印可制作复杂的玻璃微光学元件。

双光子聚合用于打印，基于有机聚合物的高分辨率微光学新技术。但是，在实际应用中，往往受到一定的限制，因它们的热稳定性和化学稳定性差，以及短波长和长波长的透射率低、折射率低等问题。

无机玻璃一直用于制造光学器件。尽管越来越多的光学器件是由有机聚合物制成的，由于重量轻、成本低，无机玻璃在光学成像中仍然具有不可替代的地位，因为它具有更好的热稳定性、机械性能、耐化学性和紫外成像性能。但微型光学元件太小（<1mm），无法通过传统的光学制造方法制造，因此需要额外的步骤，例如制造光学成型模具，来制造更小的光学器件。

这启发了该团队开发了一种基于预缩合二氧化硅的光敏液态二氧化硅树脂(LSR)，它通常用于制备低碳密度二氧化硅气凝胶。将其与双光子聚合3D打印方法结合时，他们最终得到了高精度的复杂光学元件 。
 

△具有不连续结构的3D打印光学元件。a) 菲涅耳表面的SEM图像b) 1951 USAF分辨率图像，c) 周期为1.1 μm的光栅SEM图像

通过3D打印技术实现高精度复杂光学器件
“这是更小和更复杂的光学元件的完美解决方案。透明玻璃光学器件可以通过600°C的热处理制成，收缩率低至17%，”怀恩特光学科学学院梁荣光教授说。“这是已知的打印光学器件的最低收缩率，但我们的目标是做得更小。未来我们将优化材料和3D打印工艺，以进一步降低收缩率。”

收缩是由烧结过程中，有机物烧尽和颗粒熔化成玻璃引起的。“对于高性能成像应用，光学元件应按规格制造，”他补充道。“较小的收缩率对于更准确地控制最终形状更好。现在的挑战是优化LSR，以获得更快的固化速度、更好的机械性能、更低的热处理温度和更低的收缩率。”
 

△组装后的Alvarez透镜SEM图像

与传统的抛光和成型方法相比，3D打印在制造具有自由形状和不连续形状的光学元件、复杂的多元件免对准光学系统，以及具有可移动元件的复杂多元件，免对准光学系统具有特殊的优势。

“我们的材料和打印方法，通过快速制造以前不可能的高性能玻璃微光学器件，可将先进的成像技术从实验室，转化为临床内窥镜成像，”梁说“精密玻璃微光学器件还将为各种应用在紫外、可见光和红外区域提供新的成像技术。”
 

△该研究的更多细节可以在题为“用预浓缩液态二氧化硅树脂高精度打印复杂的玻璃成像光学元件”的论文中找到

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105595（点我传送门）

打印复杂的光学元件需要多长时间？
对于直径为0.5毫米的微型物镜，打印大约需要2小时，用丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)去除未固化的材料需要20分钟。

具有广泛的前景
最直接的应用是生物医学成像——从小型内窥镜到可穿戴传感器。由于其在紫外、可见光、近红外和红外区域内的热稳定性、机械性能、耐化学性和成像性能方面的独特特性，其他潜在应用范围非常广泛，从消费电子到集成光子学和空间光学等。

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