[发明专利]一种多尺度可见光波段梯度折射率透镜的制备方法

说明书

本发明公开了一种多尺度可见光波段梯度折射率透镜的制备方法，包括如下步骤：1)采用多材料电喷印3D打印机实时连续混合制备不同设定比例的己二醇二丙烯酸酯与纳米粒子的混合溶液；2)将不同浓度的纳米粒子的混合溶液逐层电喷射至与之相匹配的成形底板或成形装置内，固化成型，即得设定折射率分布的梯度折射率透镜。该方法不仅可以实现微尺度至宏尺度梯折透镜的制备，而且可制得折射率梯度较大及梯度分布易于控制的梯折透镜。同时，该方法简化了梯折透镜的制备过程，降低了制备成本及提高了梯折透镜的性能。

技术领域

本发明属于光学制造领域，具体涉及一种多尺度可见光波段梯度折射率透镜的制备方法。

技术背景

梯度折射率透镜(梯折透镜)是使用梯度折射率介质设计和制作的一种光学元件，与折射率均匀分布的透镜相比，梯折透镜的数值孔径大、焦距短、消像差能力强，在光纤通讯、光学传感、内窥医疗器械、光计算及仿生学等光学应用中可发挥重要的作用。然而，梯折透镜及其阵列的制备仍然是制约梯折透镜应用及发展的重要问题。早在公元100年，人类就已经开始认识梯折透镜，但直到1969年日本的北野首先采用离子交换法制得了0.1-1mm的径向梯折透镜，也称自聚焦透镜。上世纪七十年代，日本的I.Kitano及Rochester大学的E.W.Marchard，P.J.Sand与D.T.Moore等分别对梯折透镜的材料、制备及检测方法进行了研究。在我国，西安光机所研究人员及刘德森教授等率先开展了自聚焦透镜的研究，经多年发展，制备了异形孔径梯折微透镜阵列等多种梯折透镜阵列。目前为止，出现了多种梯折微镜阵列的制备方法，但只有离子交换法制得的梯折透镜阵列已达到实用水平，然而，离子交换法存在着工艺过程复杂且扩散深度小的问题。对于其他工艺方法，或者工艺过程复杂，或者透镜折射率梯度及尺寸不易控制。

近年来，随着新工艺与新材料的发展，出现了一些梯折透镜制备的新工艺，具有代表性的为微纳米层共挤成型法及3D打印法。微纳米层共挤成型法相比传统方法具有可制得折射率差大的梯折透镜等优势，然而，微纳米层共挤成型工艺过程复杂且难以制备微尺度梯折透镜阵列；3D打印法制备梯折透镜近年来得到众多学者的广泛研究，报道最多的是利用3D打印技术制备特征尺寸远小于电磁波长的周期性结构，构成超材料梯折透镜，如太赫兹梯折透镜、龙伯透镜天线、光子晶体及梯折微波器件等，然而，采用3D打印法仍然难以加工用于可见光波段的超材料梯折透镜，尽管飞秒激光微纳3D打印法使得可见光波段超材料梯折透镜的制备成为了可能，但飞秒激光微纳3D打印设备较贵，加工成本较高。由此，研究人员提出采用3D打印法打印混合流体直接制备可见光波段梯折透镜，并对适于3D打印的透镜材料进行了研究，研发了以己二醇二丙烯酸酯(hexanediol-diacrylate,HDODA)与纳米粒子混合材料为代表的打印材料，并提出了采用多喷头3D打印的工艺方案。然而，梯度大且层厚小的梯折透镜制备需要较多的喷头数量，这无疑增加了3D打印系统的复杂性，且一次只能制备一种折射率分布的梯折透镜(变更透镜折射率分布需更换每个喷头内的打印材料)；同时，制备微尺度的梯折透镜阵列时，折射率梯度的调控更为不便。另外，该方法仍处于工艺方案论证及设计阶段，目前为止，并未出现采用该方法制备梯折透镜的相关报道。

综上所述，尽管随着3D打印等新兴制造技术的快速发展，高性能梯折透镜的高效率、低成本及简单化制备成为了可能，然而，目前为止，并没有出现一种技术或者工艺能够实现从微尺度到宏尺度的可见光波段梯折透镜的高效率、低成本制备。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明目的是提供一种多尺度可见光波段梯度折射率透镜的制备方法。该方法不仅可以实现微尺度至宏尺度梯折透镜的制备，而且可制得折射率梯度较大及梯度分布易于控制的梯折透镜。同时，该方法简化了梯折透镜的制备过程，降低了制备成本及提高了梯折透镜的性能。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种多尺度可见光波段梯度折射率透镜的制备方法，包括如下步骤：