Płyny do produkcji złożonej optyki | Badania i technologia | grudzień 2021

HAIFA, Izrael, 3 grudnia 2021 r. – Technion: Naukowcy z izraelskiego Instytutu Technologii opracowali metodę tworzenia dowolnych elementów optycznych poprzez formowanie pewnej ilości utwardzalnego ciekłego polimeru. Prace mogą umożliwić szybsze prototypowanie niestandardowych komponentów optycznych do różnych zastosowań, w tym soczewek korekcyjnych, rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej, pojazdów autonomicznych, obrazowania medycznego i astronomii.

Obecna metoda wytwarzania optyki o dowolnym kształcie jest trudna i kosztowna ze względu na ilość specjalistycznego sprzętu wymaganego do obróbki mechanicznej i polerowania ich powierzchni.

Badacze Technion wykorzystali nowo opracowany proces do produkcji elementów optycznych o różnych geometriach — w tym kształtach toroidalnych i koniczyny — i rozmiarach do 200 mm, a także o dowolnych powierzchniach. Soczewki miały właściwości powierzchni zbliżone do najlepszych dostępnych technologii polerowania, a jednocześnie były o rząd wielkości szybsze i łatwiejsze w produkcji. Dzięki uprzejmości Technion: Israel Institute of Technology.

Według Morana Bercovici, szefa zespołu badawczego Technion, podejście zespołu pozwala osiągnąć wyjątkowo gładkie powierzchnie i może być wdrożone przy użyciu podstawowego sprzętu. „To sprawia, że ​​technologia jest bardzo dostępna nawet w środowiskach o niskich zasobach” – powiedział.

Korzystając z tej metody, Bercovici i współpracownicy w ciągu kilku minut wyprodukowali elementy o dowolnym kształcie o chropowatości powierzchni rzędu poniżej nanometra. W przeciwieństwie do innych procesów prototypowania, takich jak druk 3D, czas produkcji pozostawał krótki – nawet jeśli objętość wytwarzanego komponentu wzrosła.

„W tej chwili inżynierowie optyki płacą dziesiątki tysięcy dolarów za specjalnie zaprojektowane komponenty o dowolnym kształcie i czekają na nie miesiącami” – powiedział Omer Luria, pracownik naukowy w artykule badawczym. „Nasza technologia radykalnie skróci zarówno czas oczekiwania, jak i koszt złożonych prototypów optycznych, co może znacznie przyspieszyć rozwój nowych konstrukcji optycznych”.

Zespół powiedział, że rozpoczął badania mające na celu opracowanie metody wytwarzania soczewek do okularów korekcyjnych.

„Naszym celem było znalezienie prostej metody wytwarzania wysokiej jakości komponentów optycznych, która nie opiera się na obróbce mechanicznej ani złożonej i kosztownej infrastrukturze”, mówi Valeri Frumkin, który jako pierwszy opracował metodę w laboratorium Bercovici. „Następnie odkryliśmy, że możemy rozszerzyć nasz proces, aby stworzyć znacznie bardziej złożone i interesujące topografie optyczne”.

Jednym z głównych wyzwań w tworzeniu optyki poprzez utwardzanie ciekłego polimeru jest to, że w przypadku optyki większej niż ~ 2 mm grawitacja zastępuje siły powierzchniowe. Spowoduje to spłaszczenie płynu w kałużę. Aby temu zaradzić, naukowcy opracowali metodę wytwarzania soczewek z płynnego polimeru, który jest zanurzany w innej cieczy.

Wyporność przeciwdziała grawitacji, więc napięcie powierzchniowe dominuje, a naukowcy mogą tworzyć gładkie powierzchnie optyczne, kontrolując topografię powierzchni płynu soczewki. Wymagało to wstrzyknięcia płynu do soczewek do oprawki nośnej, tak aby płyn do soczewek zwilżył wnętrze oprawki i rozluźnił się do stabilnej konfiguracji. Po osiągnięciu wymaganej topografii, płyn do soczewek można zestalić za pomocą napromieniowania UV lub innymi metodami, aby zakończyć proces produkcyjny.

Po tym, jak naukowcy wykorzystali proces wytwarzania cieczy do stworzenia prostych soczewek sferycznych, badacze rozszerzyli swoją działalność o elementy optyczne o różnych geometriach – w tym kształtach toroidalnych i koniczyny – i rozmiarach do 200 mm. Uzyskane soczewki miały właściwości powierzchni zbliżone do najlepszych dostępnych technologii polerowania, a jednocześnie były o rząd wielkości szybsze i łatwiejsze w produkcji. Następnie rozszerzyli metodę tworzenia powierzchni o dowolnym kształcie, modyfikując kształt ramy nośnej.

„Zidentyfikowaliśmy nieskończony zakres możliwych topografii optycznych, które można wytworzyć przy użyciu naszego podejścia” – powiedział Mor Elgarisi, główny autor artykułu. „Proces ten można wykorzystać do produkcji elementów o dowolnej wielkości, a ponieważ powierzchnie cieczy są naturalnie gładkie, należy je teraz wypolerować. Podejście jest również kompatybilne z każdą krzepnącą cieczą i ma tę zaletę, że nie ma odpadów.”

Naukowcy automatyzują proces produkcyjny, aby można było precyzyjnie i powtarzalnie wytwarzać różne topografie optyczne. Oceniają również różne polimery optyczne, aby określić, które z nich składają się na najlepsze komponenty optyczne.

Badanie zostało opublikowane w OPTYCZNY (www.doi.org/10.1364/optica.438763).