Chế tạo các thấu kính quang học bề mặt phức tạp từ chất lỏng

Các nhà khoa học phát triển thành công một phương pháp chế tạo các thành phần quang học dạng tự do bằng phương pháp định hình một thể tích polymer lỏng có thể cứng hóa. Phương pháp mới cho phép chế tạo nhanh các kính quang học tùy chỉnh cho những ứng dụng như thấu kính hiệu chỉnh, kính thực tế ảo tăng cường, camera cho xe ô tô tự hành, camera y tế và thiên văn học.

Các thấu kính quang học dạng tự do với độ nhám bề mặt dưới nanomet được chế tạo trong vòng vài phút bằng cách định hình các thể tích chất lỏng. Ảnh: Technion - Viện Công nghệ Israel

Valeri Frumkin, tác giả của phương pháp chế tạo kính quang học bề mặt tự do trong phòng thí nghiệm của Bercovici cho biết, đây là phương pháp chế tạo kính quang học chất lượng cao đơn giản, không sử dụng quy trình gia công cơ học với cơ sở hạ tầng phức tạp và đắt tiền. Phương pháp này cho phép tạo ra các kính quang học có cấu hình bề mặt phức tạp và những chức năng đặc biệt.

Một trong những khó khăn chính trong quy trình chế tạo chi tiết quang học bằng phương pháp đóng rắn polymer lỏng khi kích thước lớn hơn khoảng 2mm là trọng lực mạnh hơn so với lực liên kết bề mặt, khiến chất lỏng ép phẳng thành vũng.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát triển một kỹ thuật chế tạo kính mới, sử dụng polymer lỏng đặt chìm trong một chất lỏng khác. Lực đẩy nổi sẽ chống lại lực hấp dẫn, cho phép sức căng bề mặt chiếm ưu thế.

Giải quyết được vấn đề trọng lực với chất lỏng, nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát được cấu hình bề mặt chất lỏng làm kính để chế tạo kính quang học có độ nhẵn cao nhất.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một khung dưỡng hỗ trợ, bơm chất lỏng làm kính vào bên trong khung dưỡng, chất lỏng giãn ra thành cấu hình ổn định. Sau khi đạt được bề mặt theo yêu cầu, chất lỏng làm kính được cứng hóa bằng chiếu xạ tia cực tím hoặc một số phương pháp khác, hoàn tất quá trình chế tạo.

Sau khi sử dụng phương pháp chế tạo thấu kính hình cầu đơn giản bằng chất lỏng, các nhà khoa học mở rộng sang các chi tiết quang học với nhiều hình dạng khác nhau như như hình xuyến và hình tam giác với kích thước lên đến 200 mm. Những kính quang học thu được có chất lượng bề mặt tương tự như những công nghệ đánh bóng tốt nhất hiện có, nhưng quy trình chế tạo nhanh và đơn giản hơn gấp nhiều lần. Phương pháp này cho phép chế tạo các bề mặt kính dạng tự do, chỉ cần thay đổi hình dạng của khung dưỡng hỗ trợ.

Các thấu kính thể hiện chất lượng bề mặt tương tự như nhưng công nghệ đánh bóng tốt nhất hiện, phương pháp chế tạo nhanh và đơn giản. Ảnh: Technion - Viện Công nghệ Israel

Phương pháp mới có thể chế tạo  kính quang học với mọi kích thước do bề mặt chất lỏng mịn tự nhiên, không cần đánh bóng. Phương pháp này cũng tương thích với bất kỳ chất lỏng nào có thể đóng cứng.

Các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu giải pháp tự động hóa quy trình chế tạo, cho phép tạo ra các cấu hình bề mặt kính quang học khác nhau một cách chính xác theo phương thức in 3D và có thể thực hiện nhiều lần.