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光学零件图-课件（PPT演示）
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折射率浅释
    摘要：折射是光入射介质的多种光学现象之一，而折射率是表征各种介质(材料)物理、化学性质的重要参数。科学界对其了解伴随着光学发展的整个历程。文章从折射率的定义出发，介绍了它的物理含义、测量方法、应用以及关于&负折射率&的研究发展。0 引言在人们认知外部客观世界斑驳陆离、瞬息万变的自然景象中，正是由眼睛这一重要器官，作为一种探测器接收了物体发射、反射或折射的光才得以实现的。光是一种重要的自然现象，与人类生活和社会实践密切相关。光学也和天文学、几何学、力学一样，是一门最早发展起来的学科。为对光学中关于折射率的概念有一个清晰的了解，在此有必要简述人们对光认识的一段历史。在很长一段历史时期里，人类的光学知识仅限于一些现象和简单的描述。对光的本性的探究始于17世纪，当时有两个学说并立：一是牛顿为代表的微粒说，另一是惠更斯为代表的波动说。前者认为光是按惯性定律沿直线飞行的微粒流，其印证了光的直线传播定律，并能对光的反射和折射作一定解释。但在研究光的折射定律时，此学说却得出了光在水中的速度比空气中大的错误结论，在当时的科技条件下这一点还无法通过实验来鉴别，微粒说因此统治了 17、18 将近两个世纪。波动说认为光是一种在特殊弹性媒质中传播的机械波，它也印证了光的反射和折射现象，但惠更斯认为光是纵波(光波的振动方向与传播方向一致)的误解使其理论很不完善。19 世纪初，斯 杨和菲涅尔等人的实验和理论工作极大地推动了波动理论，解释了光的干涉、衍射等现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确认光是横波(光只在垂直于光传播方向的平面内振动)。此时研究光的折射，得出了光在水中的速度小于在空气中的速度的正确结论，并为傅科在 1862 年的实验所证实。至 19 世纪中叶，波动说战胜了微粒说而被确立起来。然而波动说与粒子说都带有机械论色彩的弱点，即把光现象看作机械运动过程，认为光是一种弹性波，这导致了空间必须存在一种特殊弹性媒质(也被称为&以太&)的臆想，而&以太&必须是密度极小及弹性模量极大，这种矛盾的属性不仅实验无法证实且理论也显荒谬。19 世纪 60 年代，麦克斯韦在前人的基础上，建立了著名的电磁理论，预言电磁波的存在并指出电磁波的速度与光速相等，由此得出光就是一种波长较短的电磁波的结论。1888 年赫兹通过实验发现了波长较长的电磁波&&无线电波，它也具有类似光波的反射、折射、干涉、衍射等现象。以后的实验又证实了红外线、紫外线和 x 射线都是电磁波，区别仅在波长不同而已，至此，光的电磁理论以大量的事实而得到公认。上述过程主要涉及光的传播，很少讨论光的发射和吸收，因为光和物质的相互作用及许多现象还未被发现和研究(如光电效应)。1887 年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉，试图探测地球在&以太&中的绝对运动，结果否定了光波载体&以太&的存在。随后瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论导出的黑体辐射公式中，要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷。这些疑惑因天才科学家爱因斯坦&量子理论&的发展而获得成功地解释：即光是以正比于频率的&光子&(或光量子)能量流而作用于其他物质的。至此，可得出关于光的本性的如下解释：光的某些表象体现为&波动&，某些表象体现为&粒子&，任何经典的概念无法完全表征光的本性，即所谓光同时具有&波粒两象性&。1 折射率的基本定义和物理含义折射率由&折射&这一自然界的常见光学现象引伸而来，如果仅讨论光的传播，而不涉及光的吸收和发射，折射可描述为：当光(电磁波)以任意角度由一种介质入射至另一种介质时其传播方向发生了改变。从物理光学(波动理论)、几何光学(射线理论，波动的一种近似)及电介质理论来诠释&折射率&，可知其深刻的物理含义。1.1 波动场定义空间存在电荷，其稳定的激发态构成了电磁场，可由 5 个矢量来描述：e(电矢量)、b(磁感应矢量)、j(电流密度)、d(电位移矢量)和 h(磁矢量)。科学家麦克斯韦(maxwell)将这 5 个矢量联系起来，建立起如下的方程组(设观察点附近每个点的物理性质是连续的)：[1]其中，curl为旋度，div 为散度;&?&为对时间求导。(3)式给出了电磁密度的定义，(4)式则被认为没有自由电磁荷存在。又因为 divcurl&0，(1)式可写为用(3)式代入，则此式与流体力学中关于碰撞的关系类似。由麦克斯韦方程组可导出电磁波方程为由此可得真空中的光速 c = ，介质中的光速 v = 。其中 &0、&0分别为真空中的介电常数和磁导率;&、& 分别为介质的介电常数和磁导率;&r=&/&0、&r=&/&0，称为相对介电常数和相对磁导率。至此，我们称n为光的折射率，n= 。1.2 几何学定义折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波(光波)以任意角度入射至两种介质的交面处时，波的传播方向会发生变化(图1)。介质 1 中的入射波在介质 2 中发生折射，虚线 ac、be 为波前，由于(9) 式也称斯涅尔 (w snell) 定律，即折射定律。如 果 &1=&0、&1=&0( 介 质 1 为 真 空 )，&2=&、&2=&，则有1.3 电介质理论电介质在电场中被极化的概念最先由法拉第在 1837 年提出。1850 年 o.f.mosotti 给出了电极化理论方程其中 m 是分子量，& 是电介质密度，a0是空气分子平均极化率，na是阿伏加德罗常数。由于 r.clausius 也曾导出该式，(11)也称clansina-mosotti 方程。该方程适用于非极性分子、低密度介质。h.a.lorenntz 和 l.v.lorenz 于 1880 年 用光学方法导出了包含折射率的公式(12)与(11)相比，n2=&r，(12)式称为 lorentz-lorenz 方程，仍只适用于非极性分子。对于极性分子介质，debye 于1912 年给出其中 u 为电偶极矩，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度。(13) 式只对外场为静电场适用，如外场为交变电磁场，则需考虑极性分子的驰豫时间 & 的影响，此时，(13)式可写为这可理解为极化率(取向极化率)的改变显示了驰豫时间的影响，从而导致了折射率的改变。2 关于&介质&在折射率的定义中多次提到&介质&一词，它是光与物质相互作用物质(相对于真空)一方的专用词。要描写这些物质在电磁场影响下的特性，即要能从给定的电流和电荷分布唯一地定出场矢量，必须给麦克斯韦方程(1)&(4)补充如下关系式它们是被称为&物质方程&复杂形式的一种简化。简化的条件是物体彼此相对静止不动(或运动非常缓慢)且物质是&各向同性的&(即它每一点的物理性质不随方向改变)。物质方程中的 & 称为电导率，& 称为介电常数(电容率)，& 称为磁导率。(15)式是微分形式的欧姆定律。&& 0 的物质称为&导体&，金属、离子溶液和固溶体都是导电的良好材料。金属的电导率随温度的增高而减小。另一种材料(如锗)在很大温度范围内却随温度的增高而增大，被称为&半导体&。& 小到可以忽略的材料称为&绝缘体&或&电介质&。它们的电磁学性质就完全由 & 和& 来决定。对大多数物质而言，&=1。& 和 1相差可观的物质称为磁性物质。其中 &>1 称为顺磁物质 ( 如铂、氧、氯 ), 而 &&1 的称为逆磁物质 ( 如铋、铜、氢、水 )。光是一种高频(1014hz)电磁场，当它进入某些物质中而不发生可察觉的减弱(如空气、玻璃)，称这种物质为透明体，它们在电学上必定是非导体(& = 0)。我们讨论的折射率 n 主要是针对这一类透明物质，也称为透明介质。这类介质按其宏观形态有固体、气体、液体之分。固体中，从光学角度出发，按其微观粒子构造有晶体和非晶体;按其物理性质是否具方向性有各向同性和各向异性;按其密度又有光疏和光密，按其折射率 >1 或 &1可分为&左手介质&和&右手介质&(下文详述)等。当光与这些介质相互作用所产生的多种现象(宏观 )[ 注 ]，如反射、全反射、透射、折射和双折射、色散、光程、偏振、光速、干涉等，几乎都与&折射率&有关。人们就是通过折射率这一参数来获取不同介质的各种信息，或了解介质本身，或将不同介质作为打开其他领域的有效手段。[ 注 ] 光与物质相互作用在分子或原子尺度上的微观研究属量子理论范畴，如光电效应，它将超出本文所述范围。3 折射率的测量对不同介质的折射率，如固体、液体和气体，一般采用不同的方法进行测量，这些方法有测角法、干涉法和采用菲涅尔公式的反射法。3.1 测角法3.1.1 偏向角法如图 2，将一顶角为 &、折射率为 n 的待测棱镜置于空气中(n0= 1)。当棱镜第一表面的入射角 i1等于第二表面的折射角 i2时，偏向角达到最小值 &min，则只要用测角仪测得 &min和 &，使可算出 n。这也称最小偏向角法，可获得较高的测量精度。3.1.2 自准直法如图 3 所示，光线 so 在棱镜前表面的入射角为 i，如折射光线 oc 刚好垂直棱镜后表面 bd，则反射后的光路 cos 与入射光路soc 重合，则称为自准直光路。从几何关系知道，光线在前表面的折射角 i 与棱镜顶角&(& obc)相等，根据折射定律 n = ，用测角仪测得 i 和 &，则可求得 n。3.1.3 临界角法当光线从光密介质射向光疏介质时，n2ic时，折射光线消失，入射光线全部反射(图中光线 3-3&&)，此现象被称为全反射，ic称为全反射临界角。由上可知，只要被测样品的折射率(n2)小于介质 1 的折射率(n1)，总能找到样品的全反射临界角 ic，或观察到全反射现象。而每种样品(介质)的 ic是不一样的，人们正是通过这一原理，制作了折射率仪，也被俗称为&阿贝折射仪&(图 5)。其测量精度一般可达 &2&10-4，此法也可用于液体折射率的测试。3.1.4 v 棱镜法v 棱镜由其形状得名，用相同材料的一大一小两个直角棱镜胶合而成，其折射率 n已知。被测试样形状不拘，但要有一个直角，涂上适当浸液，放入 v 棱镜槽中(图 6)光线通过 v 棱镜和试样的组合体后产生偏向角，测定后便可算出试样的折射率：式中当&向上时取&+&号;当&向下时取 &-&号。此法的测量精度为&1&10-3。3.2 干涉法干涉法常用来测量气体的折射率，如瓦斯报警等，所用的干涉仪被称为&瑞利干涉仪&(图 7)。从夹缝光源 s 发出的光经透镜 l1准直后，落到平行于 s 的夹缝孔径 s1和 s2上;从 s1和s2出来的几何光线再平行地穿过分开的气室t1和 t2，而由透镜 l2又会聚到它的焦平面上，在此形成平行于夹缝的干涉条纹。这些条纹是由光在两个气室的&光程差&引起的(如t 为真空，t2为被测气体)，c1、c2和 g 均为清晰观察和计数干涉条纹而设计的补偿玻璃板。被测气体的折射率 n 为：式中 l 是气室长度，&0是所用光源的波长，&m 为被测气室引入光程差后干涉条纹的序位移。此法可检测出 10-8的(n-1)的变化。精度相当高。3.3 反射法在正入射条件下，入射角 i 与折射角 i& 都为 0，菲涅尔公式可简化为[2]式中，r、a 分别为反射光强和入射光强。如已知样品的折射率为 n，入射光强为常数，则可由(21)式测得该样品的反射光强r1;在同样的测量条件下也可测得一被测样品的反射光强 r2，由比值：则可求得被测样品的折射率 n2。此法可由普通光路实现，也可由&软光路&的方法实现。所谓&软光路&是该折射仪采用了光纤技术，在该折射仪中设有传统的透镜、棱镜、反射镜和分光镜等光学元件，其原理图和关键技术&光纤头&见图 8[3]。该反射式光纤折射仪目前的测试范围为1.40~(& 3.00);测量精度为 &0.004。在上述 3.1~3.3 的各种方法中，仅介绍了它们的基本原理，目前市售的各种类型产品的共同特点是数据的采集和运算都已实现了自动化和计算机化，大大降低操作人员的工作强度并提高测量结果的可靠性。此外，每种介质，无论是气体、液体还是固体，都存在&色散&特性，即介质的折射率随入射光的波长改变而改变的现象，因而，当通过一种方法或仪器获得某种样品的折射率值时，必须告知所用光源的波长值。换言之，人们 往往规定了折射率测量所用光源的波长，如此所得折射率值才有可比性和意义。4 几种基本的应用4.1 光学系统设计光学系统的设计几乎涵盖了工业、农业、教育、科研和国防等所有领域，大到航空、航天和探月工程，小到眼镜和放大镜，无一不与介质材料及其折射值相关联。在设计制作这类简单或复杂的各类光学系统中，选用已知折射率的材料及了解所用材料的折射率是必须的首要条件。光学系统的设计制作已有数百年历史，人们在这一过程中积累了丰富的知识和经验，本文不作详细的介绍，而只提及光线经过同轴系统的 abcd 转换矩阵。在由多个透镜组成的复杂光学系统中，它实际承担了物体从物空间中被转换到像空间中&物&像变换&关系的主角。这种变换可用数学中两个不同空间中的转换关系来表达。所以除了用传统的逐次成像合式或作图法来求得成像系统的物像关系外，还可用矩阵来求解在近轴条件下，同轴光学系统的成像规律。如图 9 所示，光线从折射率为 n 的介质中入射到折射率 n' 的单球面体上，输入点 a。设高度为y，光线与光轴夹角为&1;经过光学系统折射后，光线输出点的高度仍是 y，但折射光线与光轴以夹角为 &2出射。由图可知：可导出：式中 & = 称为光焦度。又由于光线在球面折射体的高度是相同的，所以 y=y2=y1。从而有线性联立方程组这就可以用一个 2&2 的 abcd 矩阵来表述，即对于在单球的折射过程，其矩阵元分别为：a=1，b=0，c = -&/n&，d = n/n&。而通过单球而体折射的光线转换矩阵为这一转换矩阵行列式的数值为可以看出，上述光线转换矩阵只与光学元件的折射率有关，与输入输出的光线参量无关。所以若光线通过多个串联的光学系统，每个系统的转换矩阵分别为 m1、m2、&，则其总的转换结果为所有相连的转换矩阵的乘积：如束在谐振腔中来回传播就是一个周期性的级联系统。这就使复杂光学系统的成像和传播问题变得方便并可用计算机处理。图10 列出几种简单而常见光学元件的转换矩阵。4.2 光纤光纤的发明和应用极大地影响了人们生活的各个方面，发明者高锟由此而获得 2009年诺贝尔物理学奖。然而光纤传输光信息的原理却与折射率直接关联。在上节的&临界角法&中介绍了&全反射&的概念，光纤就是利用这一原理。光纤是由两层同心但折射率稍有差别的玻璃或石英细丝构成，内层称&纤芯&，外层称&包层&，纤芯的折射率(n1)> 包层的折射率(n2)，两者的差 & = ，一般 &=0.01。实现光在光纤中的传输，首先光要由空气进入光纤(n1>n0)，根据折射定律 n0sin& =n1sin&0必须 &&&0，如图 11 进纤后的光由纤芯至包层(n1>n2)，而不进入包层只在芯内传播，须满足&全反射&条件，则 &1必须大于临界角 &k，因 &+&k=90&，即 & 应小于 90&-&k，也就是要求光从空气入射于光纤的角小于临界角，&0&&c，如图 11b、11c 所示。光在不同类型光纤中的行程和时间及传输模式、偏振态等是不同的，它们都与光纤径向的折射率分布有关。图 12 为两种(阶变型和渐变型)光纤的光线传输及径向折射率分布 n(r)的示意图。4.3 光学介质膜(系)光学系统和光学元件在应用中往往对工作波长和透过率或反射率的关系有一定要求。如光在两种介质的界面上的强度反射率为式中 n1、n2分别为这两种介质(如膜层和基片)的折射率，设空气的折射率为 n0(见图 13)。若反射光存在于折射率比相邻介质更低的介质内，则相移为 180&，即半个波长(&/2)。若该介质的折射率高于相邻介质的折射率，则相移为零。光因受薄膜上下两个表面的反射而分成两个分量：它们间的相移如为180& 时，其合振幅是两分量振幅之差;它们间的相移如为 0& 或 360& 的倍数时，其合振幅是两分量振幅之和。前者称相消干涉，后者称相长干涉，如相移为其他各值时，干涉将介于相消和相长之间。4.3.1 减反射膜其作用或多或少取决于薄膜上下两表面的反射光彼此相消的情况。设空气、膜层和基片的折射率分别为 n0、n1和 n2，为使两光束完全相消，膜层上下两界面的反射光强度应相等，这意味着每一界面处的折射率之比应相等，即 n2/n1=n1/ n2或 n1=(n0n2)。这表明，膜层折射率应介于空气折射率(常取 1)与基片折射率(至少为 1.52)之间。为保证相位移为 180&，膜层的光学厚度应为 & /4，这是因为反射光 2 比反射光 1 在膜层内多走了一个来回的&光程&(图 13a)。[6]4.3.2 高反射膜其作用与减反射膜相反，见图 13b。其膜系由折射率高低交替，各层厚度均为 & /4的多层膜构成。在高折射率层内，反射光不因反射而发生相移;在低折射率层内，反射光的相移则为 180&。如此入射光经膜系的各相继界面反射而产生的各个分量，在前表面重现时其位相全部相同，它们产生相长干涉。这意味着膜系的有效反射率可达到很高(增加膜系层数)。我们熟知的&光学标准具&如f-p干涉仪就是这一膜系的产物。根据上述膜层(系)工作原理，另可制作多种不同用途的光学薄膜，如增透膜、偏振膜、分光膜、滤光膜和相位膜等。由此而形成了光学的一个分支&薄膜光学&。需指出的是任何膜系均有工作波长和工作带宽的要求。5 关于&负折射率&5.1 &负折射率&的由来1928 年狄拉克在求解其发现的电子相对论波动方程时，得到一组正能解和一组负能解，习惯地将负能解人为舍去(根据经验，自然界不存在质量为负数的物质)。但在数学家看来，物理学家的这种做法显得鲁莽与粗糙，因为&解的完备性&是波动方程的基本性质和条件，狄拉克舍弃负能解导致其方程解的不够完备，这在数学上是不允许的，数学家劝其保留负能解。不久物理学家发现狄拉克的负能解其实就是描述&反物质&(一种带有正电荷的电子)的解。同 理， 一 般 条 件 下 解 波 动 方 程 应 有n2=&r&r，写为 n= 更符合数学规律，也体现了数学美。很长一段时间，研究者都选择了 n 正根，丢弃了负根。因为&负折射率&在已知介质中从未观察到过，把丢弃负根作为一件很&自然&的事。这是否又遇到了狄拉克同样的问题?1967 年 前 苏 联 物 理 学 家 v.g.veselago提出了&左手材料&(left handed medium，lhm)的物理思想，认为微波穿过 lhm 时将射向与斯涅尔定律(折射定律)不同的方向，即发生了微波异常传播现象。这种假想的 lhm 物质具有负的和，则介质的折射率为为简便起见，令 &=-1，&=-1;& 可写为exp(jn)及 & 可写为 exp(jn)，则有即折射率为负值，或该介质是具有负折射率的材料。veselago 的论述未受到物理学界重视而被忽略近十年之久，直至 20 世纪末期，由于制备微结构材料的发展，才有一群科学家重审了 veselago 的理论，认为具有 -& 和 -& 的负折射率的介质，会具有与常规介质不同的光学特性而成为新的光学材料[7-9]。5.2 负折射率的验证从某种介质的色散(折射率随光波频率改变而改变)和透射率曲线可知(图 14)，其在大于 10 ghz 的反常色散(n 随频率的增加而减小)区间内，确存在 -& 和 -& 都为负的一段频率区间(n&1)，并且在 11.2 ghz 左右是透明的，这是以前未曾发现的现象。所以1999 年众多科学家提出了在微波波段制备的器件可以具有 -& 和 -& ，并提出了多种设计。2001 年提出在印制电路基板上制备成方形金属分裂环状，并与印刷在反面的金属线条相耦合而组成谐振环，它被称为&分裂-环状式谐振腔&(split-ring resonator,srr)，再将这单元元件组成二维的周期方格(图 15)，srr在 10.5 ghz 微波波段发生振荡。然后用具有正折射率的聚四氟乙烯(teflon)材料做成相同结构作为对比样品。用入射角为 18.43&、频率为10.5ghz的微波束入射到该样品上，微波扫描探测其折射角为 +27&，对应的 n=1.4;而对于 lhm(srr)在同样的条件下测得其折射角为 -61&，对应的 n=-2.7。这一实验结果证实了 veselago 的开创性研究是十分光辉的成就。但这是在微波波段的结果，而若是推向可见波段，则 srr 的结构要缩小为原来的千分之一，当前的微加工技术是有可能达到的。图 15b 示出采用多层金属膜的 srr 结构，期望能在红外波段实现 lhm。5.3 lhm 的超常规律性质lhm 的另一个常用名称为超物质材料(meta-material)，意味着这种物质材料的性能超越了自然界所存在的常规的物质材料。从理论上分析，lhm 具有可以使光束反向折射的超常规性质，所以若从正常介质中的一个点光源发射一束光波照射到 lhm 制成的一块平板，然后再出射到常规材料中，则光线在 lhm 的折射方向与常规材料不同，不是偏折到常规方向而是反向偏折到法线的另一个方向。从 lhm 平板的后界面出射的光线同样不是增大而是减小其折射角，因此光束会聚焦到一个点上，见图 16 和图 17。lhm 平板材料能使光线会聚而不需要透镜，这一超常规性质使得在用透镜成像中产生的衍射现象和光束对空间频率的限制不会发生。lhm 将使成像质量十分优异，因此又被称为&超透镜&(superlens)。另外，由于 lhm 是亚波长结构，在设计lhm 的过程中就有一定自由度，其中之一是可使电磁场的传播方向根据需要而改变。设想所设计的 lhm 具有对光线偏离其目标物的功能，使目标物无反射或产生影子就会发生使目标物体被&隐藏&。图 18 示出一个 lhm小球在常规材料球体被&隐藏&的模拟实图及光线途径。上述性质表明，lhm 在成像&隐藏(身)&及其他领域将会带来革命性的应用。6 结语折射率如同光学中的其他诸多参数一样，是光本质反映的一个侧面，人们通过对其深入了解不仅丰富了光学这门古老学科的浩瀚内容，也必将会为人类本身带来巨大的益处。本文受篇幅和学识所限，错误在所难免，请指正和谅解。参考文献[1] max born, emil wolf [m]. principles of optics. 1975.[2] 赵凯华等. 光学[m]. 北京：北京大学出版社，1985.[3] 秦书乐. 光纤式宝石折射仪[j]. 上海计量测试，2004，5.[4] 单志鸣等. 光学[m]. 北京：高等教育出版社，1985.[5] 张熙. 光纤通信原理[m]. 上海：上海交通大学出版社，1985.[6] 光学薄膜技术[m]. 北京：国防工业出版社，1974.[7] b pendry, d r simth. reversing light: negative refraction[j]. physics today, 37, june, 2004.[8] m. notomi. theroy of light propagation in strongly modulated photonic crystals: refrationlike behavior in the vicinity of the photonic band gap[j]. phys. rev. b62, ).[9] chiyan luo, et al. all-angle negative refraction in a three-dimensionally periodic photonic coystal[j]. appl. phys. lett. 81, ).
收录时间:日 20:51:10 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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你可能喜欢光学元件的突破，美LLNL研发折射率可定义的梯度玻璃3D打印技术 -TB前卫网TB前卫网店铺大全为您精选最好的精品店铺导航，欢迎您。上一篇：当前位置：>>关于玻璃的打印，以前麻省理工学院钻研人员已发明了使用玻璃作为打印材料的3D打印策略，该进程被称为G3DP。G3DP被描写为使用光学透明玻璃用于高度精确3D打印的策略。该进程是可节制，并且可以提供透明度和色彩等打印选项。打印对象的厚度也能够节制，此外还可以节制打印物体的透射，反射和折射等参数。无非麻省理工的3D打印并无实现玻璃材料微观层面的节制，也就是梯度打印。如今美国LLNL劳伦斯摩尔国家试验室科学家研发出一种新的3D打印透明玻璃技术。无需曲面设计，就能够节制不同位置的光线折射率。科学家说这项钻研可以扭转激光和其他光学装备的制造方式。玻璃的打印跟材料技术有关虽然3D玻璃的打印还处于起步阶段，但一致性的看法是这将扭转光学的制造工艺。通过增材制造来创造这类透明的东西是有趣的。以色列的3D打印机Micron3DP就是这一行列的先行者之一，通过反复实验，Micron3DP终究在把材料温度晋升至850摄氏度以后胜利地进行了玻璃的3D打印。而为了3D打印硼硅玻璃，这类玻璃通常会被用于制造更为耐用的器皿，譬如在科学试验室中使用的那些玻璃器皿，公司能够把该材料的融化温度晋升至1640摄氏度。但是，其它的钻研者，其实不认为FDM是最佳的打印玻璃的方式，这些钻研者还试图在较低的温度下3D打印制作玻璃制品。通常来讲，FDM和立体3D打印技术不能够完整融化玻璃问题，致使多孔或者非均匀结构。LLNL加利福尼亚的钻研人员创造了一系列定制玻璃油墨，他们认为他们已解决了那些致使多孔或者非均匀结构的问题。这些由玻璃颗粒的浓缩悬浮液油墨拥有高度节制的活动机能，并因而可以在室温下知足打印需求。LLNL的钻研人员介绍说这些特殊油墨可以进行热处理，增强密度并解除打印进程中的其他问题。热处理完成后，钻研人员还可以进行光学质量的抛光，使零件更均匀更复合光学机能的请求。“打印高质量的光学，不允许任何孔和线的存在，他们必需是透明的，”LLNL材料工程师Du Nguyen说。“大多数打印玻璃的其他技术是先融化玻璃，然后冷却下来，这有可能发生残存应力并致使开裂。而我们是在室温下打印，防止了这些问题。”LLNL打印出来的玻璃制品其实不透明，但干燥和热处理后变得透明。这项钻研可让科学家们实现曲面的光学玻璃打印，其中包含在不同位置实现不同的折射率。通常抛收复杂或者非球面镜片是至关劳动密集的工作，而且需要大量的技巧，但抛光平坦的表面要容易患多，通过节制打印部件的折射率，你可以扭转光的折射路径，这样可使镜片进行平的抛光。具体来讲，3D打印可以用来创立成份梯度，这些3D打印的光学组件可以用来下降光学系统的尺寸、重量或者本钱。“光学加工的钻研和发展是走向自由曲面光学元件、光学、可以做几近任何繁杂形状的，”光学和材料科学与技术试验室的项目主任Tayyab Suratwala说。钻研人员规划通过扭转玻璃的成份来尝试3D打印高质量的光学和渐变折射率透镜。一个紧要的挑战将是创立梯度折射率的光学原件，这需要更高的对材料的理解和对打印工艺的节制水平。LLNL科学家还将尝试打印几何形状繁杂的玻璃微流控器件。这项钻研与明尼苏达大学和美国俄克拉荷马州立大学的科学家合作。依据3D科学谷的市场钻研，市场上或者有一家技术与LLNL相似，德国Fraunhofer陶瓷技术和IKTS 系统钻研所研发的3D打印新技术，不但可以打印骨科植入物、假牙、手术工具等医疗产品，还可以打印微反映器这样特别繁杂、微小部件。Fraunhofer钻研所研发的这项3D打印技术可打印的材料是陶瓷或者金属粉末悬浮液。陶瓷或者金属粉末被混合在一种低熔点的热塑性粘合剂中，热塑性粘合剂在80摄氏度时就会熔化成为液体。在打印进程中，打印机的电性温度融化了粘合剂，并混合着陶瓷或者金属粉末材料以液滴的情势被沉积下来。沉积后液滴迅速冷却变硬，三维对象就这样被点对点逐步打印出来。金属、玻璃或者陶瓷粉末材料被均匀的混合在粘合剂中。粘度也是精确节制，混入的粉末材料既不能太“稀”也不能太“稠”，这样打印机才能进行流畅的打印。查找往期文章，请登陆,在首页搜寻紧要词塑料3D打印及上游市场深度钻研欧盟CerAMfacturing项目在个性化医疗领域的突破麻省理工3D打印自愈合塑料登录维捷官方网站广告合作请加3D科学谷QQ：项目追求融资报导，请发送介绍至
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