基于电流体动力喷射3D打印的梯度折射率微透镜阵列制造方法研究

Aiming to solve the problems of lacking simple gradient refractive index microlens array (GRIN MLA) preparation process and control approach of the refractive index gradient, this project proposes a novel method to fabricate the GRIN MLA by using the multi-material electrohydrodynamic (EHD) 3D printing technology. The polymer solution, mixed by hexanediol-diacrylate and nano-particulate solution in a multi-proportion using a micro-mixer, is printed layer by layer to realize the manufacture of the GRIN MLA. The mechanisms of hexanediol-diacrylate and nano-particulate solution micro-mixing, EHD printing and deposition modeling are studied for achieving the effective micro-mixing and EHD printing of the mixed polymer solutions with high refractive index difference, and generalizing the effective and stable control methods of them respectively. Based on above studies, the prototype system of multi-material EHD 3D printing is developed for understanding the mutual effect of the micro-mixing parameters, EHD printing parameters, and deposition modeling parameters. Finally, the manufacture of the GRIN MLA which the shape, scale, refractive index gradient distribution could be controlled is found out according to the optimal design of GRIN MLA. This research provides a new approach for the fabrication of GRIN MLA with low cost, simple and controllable refractive index gradient as well as lays the foundation for opening up the application of 3D printing technology in three dimensional micro-optical device.

本项目针对目前梯度折射率微透镜阵列（梯折微透镜阵列）制备工艺过程复杂、折射率梯度不易控制等问题，提出利用多材料电流体动力喷射（电喷射）3D打印技术制备梯折微透镜阵列的新思路，通过微混合器实现己二醇二丙烯酸酯与纳米粒子溶液的多比例微混合，并采用电喷射3D打印技术将混合聚合物逐层打印及固化，以实现梯折微透镜阵列的制备。拟研究己二醇二丙烯酸酯与纳米粒子溶液微混合机理、电喷射及沉积成型特性，突破高折射率差混合聚合物的有效微混合、电喷射等关键技术，并分别归纳其有效、稳定控制方法；在此基础上，研发多材料电喷射3D打印原理样机，并掌握微混合、电喷射及沉积成型工艺参数匹配规律；最终依据梯折微透镜阵列的光学优化设计，实现形状、尺寸及折射率梯度可控的梯折微透镜阵列制备，为低成本、简单、折射率梯度可控的梯折微透镜阵列制备提供了一种新途径，也为开拓3D打印技术在三维微光学器件方面的应用奠定了基础。

梯度折射率微透镜（梯折微透镜）等高性能微光学器件因其具有优异的光学性能，在通讯、医疗以及传感等领域具有广阔的应用前景，而大面积高性能微透镜阵列的低成本、批量化制造是限制其广泛应用的重要问题。微纳3D打印在微光学器件制造领域具有突出的应用潜能。本项目以开发大面积高性能微透镜阵列低成本批量化制造技术为目标，提出原创性电场驱动喷射微纳3D打印新技术，进行了大面积多类型微透镜阵列及高性能透明电极的制造机理、规律及性能测试研究。.采用理论建模、数值分析及可视化实验等手段分析了电场驱动喷射微纳3D打印基本原理、成型机理及影响因素，阐明了电场驱动喷射微纳3D打印技术优势，研发了具有完全自主知识产权的电场驱动喷射微纳3D打印机。为高性能微透镜阵列及透明电极制造提供了良好的理论、技术及装备基础。.基于电场驱动喷射微纳3D打印技术及被动微混合技术，面向均匀折射率圆形及柱状微透镜阵列、以及梯折微透镜阵列，分别开发了电场驱动喷射微纳3D打印多种打印模式，研究了大面积多类型微透镜阵列3D打印材料，优化了大面积圆形、柱状以及梯折微透镜阵列3D打印工艺参数，最终在玻璃及PET基底上制得了面积分别为144cm2及1m2的圆形及柱状微透镜阵列，实现了折射率梯度变化△n=0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。性能测试结果表明，所制造的大面积微透镜阵列具有较好的表面形貌，尺寸一致性及优异的光学指标。解决了高性能多类型微透镜阵列难以大面积低成本制造的难题。.基于电场驱动喷射微纳3D打印及UV辅助微转印技术，制造了透光率为94%，方阻为0.21Ω/sq，雾度小于1%以及具有较好加热性能及综合机械性能的透明电加热玻璃。基于电场驱动喷射微纳3D打印及热压印技术，制造了透光率为85.79%，方阻为0.75Ω/sq，表面粗糙度Ra为18.8 nm以及机械性能优异的柔性透明电极。解决了高性能透明电极制造工艺复杂以及成本较高，环境不友好等问题。.本项目提出了一种新型微纳3D打印技术，并证实其为一种适应性广的微透镜阵列及透明电极制造技术，为下一代高性能光电子元件低成本批量化制造提供了一种有前途的策略和途径。