基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题。基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压,打印速度）对制备的不同类型微透镜形貌与质量的影响与规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,在玻璃基底上分别实现了面积为120 mm×120 mm、100 cm×45 cm的圆形与柱状微透镜阵列的制造,在柔性PET基底上实现了面积为160 mm×160 mm的圆形微透镜阵列的制造,利用电场驱动喷射微3D打印的多层打印模式实现了折射率梯度变化范围为0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。实验结果表明,制备的微透镜阵列具有良好的几何与光学性能,基于电场驱动喷射微3D打印大面积、多类型微透镜阵列制造方法具有效率高、成本低、批量化的显著优势,为大面积多类型微透镜阵列制造提供了一种全新的解决方案。     

渐变折射率人工电磁介质设计与3D打印制造

提出一种以物理性能驱动的人工电磁介质宏/微结构一体化设计与制造方法;以超材料尺度的光子晶体结构为研究对象,建立超材料单胞结构特征参数与等效介电常数及折射率之间的映射关系,实现渐变折射率人工电磁介质的可控设计;在理论计算的基础上,采用基于渐变折射率超材料结构设计了"地毯式隐形罩"、"电磁黑洞"等器件;以光固化3D打印技术为制造手段,光敏树脂为基体材料,实现具有复杂结构的三维电磁器件,并对其性能进行研究;结果表明,所设计器件在Ku波段(12~18 GHz)具有宽频性能,且能够在自由空间实现电磁波的可控传播。研究验证了利用3D打印技术进行人工电磁介质器件制造的可行性,为其进一步推广应用奠定了基础。     

球面渐开线弧齿锥齿轮3D打印制造

对球面渐开线弧齿锥齿轮机械原理进行了分析,建立了基于3D打印制造的球面渐开线弧齿锥齿轮数学模型,采用3D打印制造球面渐开线弧齿锥齿轮的工艺技术方法,创新地在工程上无原理性误差、快速制造了弧齿锥齿轮,所制造的弧齿锥齿轮能够充分发挥其诸多的传力优点。论述了可通过材料梯度复合的结构过渡区来控制3D打印制造的弧齿锥齿轮的静力强度和疲劳特性分布,提高3D打印制造弧齿锥齿轮的静力和疲劳力学性能,并能相比传统制造方法显著降低其制造成本、缩短制造周期。     

利用多材料3D打印制造功能梯度材料的研究

针对目前功能梯度材料制造方法的单一和不足,文中提出一种新的聚合物功能梯度材料生产工艺——利用多材料3D打印工艺制造功能梯度材料零件。首先介绍了多材料3D打印的工作原理;其次,通过制作两个功能梯度零件:变密度材料和变刚度材料,验证了利用多材料3D打印技术制造聚合物功能梯度材料的可行性,对于后续研究具有重要的指导意义。     

基于全介质超材料的波前控制器件

通过调制电磁波的相位和振幅可以达到控制电磁波的目的,为了实现超材料器件对电磁波的不同响应,利用仿真软件CST,设计了一系列基于全介质超材料的波前控制器件,包括电磁波偏转器件和聚焦透镜。通过引入不同的梯度相位差,达到调制折射电磁波偏转方向的目的,且当器件满足不同的相位分布时,透镜的焦点位置可以被定量调节。这些全介质超材料器件可通过3D打印技术快速制备,具备经济友好的特点,在微波成像系统和通信领域具有广泛的应用前景。     

堆叠型太赫兹通信透镜天线设计

为了提高太赫兹通信天线的增益和定向性,提出了"井"字堆叠型透镜天线。该透镜天线工作在太赫兹第一大气传播窗口内,由初级馈源天线和透镜两部分构成。设计了角锥喇叭天线作为透镜天线的初级馈源;根据菲涅耳-基尔霍夫衍射理论和傍轴近似条件设计了"井"字堆叠型透镜用于聚焦太赫兹波,并分析了透镜结构在平面波入射时的聚焦场分布。利用控制变量法分析了透镜天线的全波周期和焦径比等结构参数对其远场辐射性能的影响。对所设计的透镜天线进行了实物加工和测试。实验结果表明:"井"字堆叠型透镜天线的加工和组装工艺简便,具有对称的辐射模式,在320~380GHz的工作频段内的增益高于26.4dB,3dB主瓣宽度低于4.8°,基本满足太赫兹通信系统对天线的高增益和强定向性等要求。     

高速风洞3D打印金属模型制造与试验

风洞试验金属模型是飞行器开展高速风洞试验的重要载体,对模型制造表面粗糙度、强度和刚度性能、制造效率等要求高。金属3D打印技术已经在航空航天、医疗等领域得到了广泛的应用,其技术逐步成熟,且具有传统机械加工所不具备的特殊优势,因此,在高速风洞试验金属模型制造中具有广泛的应用前景。为促进金属3D打印技术在高速风洞试验中的应用,针对高速风洞金属模型制造的特殊要求,基于金属3D打印技术开展了高速风洞试验模型制造和性能测试研究,包括30CrMnSiA金属材料粉末制备、试件性能测试、模型流固耦合分析、基于高速风洞试验的中空模型设计和3D打印制造等,并在高速风洞中开展了验证试验,结果表明3D打印的高速风洞金属模型能够满足风洞试验要求,并成功应用于多项高速风洞试验金属模型3D打印制造。通过该研究,成功突破了金属粉末制造、模型强度刚度性能和表面粗糙度保证、3D打印风洞试验金属模型设计等关键技术,成功实现了金属3D打印技术在高速风洞试验中的应用。     

基于3D打印的大尺寸猪笼草口缘区仿生表面设计

为了解决现有猪笼草口缘区仿生表面由于结构尺寸小而难以实现大批量制备的问题,设计并采用3D打印制备具有单向铺展性的大尺寸结构猪笼草口缘区仿生表面.根据毛细作用理论分析面向大尺寸结构的猪笼草口缘区结构参数铺展作用机理,基于3D打印精度分析和微流道流体仿真,计算获得具有单向铺展性的百微米级以上结构参数范围;采用光固化成型方法制备具有大尺寸微结构的仿生表面,通过液体铺展试验测试仿生表面的液体单向铺展性能,获得性能良好的百微米级结构猪笼草口缘区仿生表面.结果 表明:空腔楔角30°,椭圆半长轴570 μm,微流道宽度360 μm、盾形微结构体长360 μm、盾形微结构拉伸长度200 μm的仿生表面具有优异的液体单向铺展特性,采用常规3D打印技术即可实现其快速制备.     

4D打印-智能材料的增材制造技术

4D打印是指智能材料的增材制造,智能材料结构在3D打印基础上在外界环境激励下随着时间实现自身的结构变化。4D打印是3D结构打印与智能材料性能的结合。阐述4D打印的基本技术特征,介绍了目前国际上利用增材制造技术制备智能材料的研究发展状况,展示了几种典型应用,给出了在此方面的研究初步进展,并分析了4D打印技术发展的趋势。     

面向教育的3D打印及其网络化交流平台的研究

为了将3D打印与教育结合起来,提升学生的创造能力和专业创新水平,论证了将3D打印应用于教育的可行性和必要性,提出了3D打印与教育结合过程中的难题和发展方向.基于3D打印在高校中应用的现状和3D打印网络化服务的发展趋势,提出了一种符合学生和高校特征的网络化交流平台集成框架,构建了平台系统的体系结构,阐述了它的工作流程和功能设计.在学生、老师、高校3D打印中心和校外合作3D打印中心之间建立了一个交流与加工制造的平台,以实现高校3D打印的资源整合、知识共享和技术创新.开发了该平台,验证了平台运行的可行性.     

Nondestructive measurement of refractive index profile of gradient refractive index rod lens

In this paper, a simple nondestructive method is described to obtain the refractive index profile of a gradient refractive index rod lens by means of optical coherence tomography. The approach exploits the fact that optical coherence tomography provides a direct measurement of the optical path of the light traveled through a gradient refractive index rod lens. The refractive index profile for a gradient refractive index rod lens is retrieved by iterative fitting of the optical path calculated by the ray tracing method with that experimentally measured using optical coherence tomography. The measured refractive index profile is in good agreement with theory.     

聚焦法测量梯度透镜剖面折射率分布的讨论

聚焦法能较好地用梯度透镜剖面折射率分布的测量中是一种装置简单测量迅速的测试方法.     

基于龙伯透镜的共口径双星双通道天线关键技术

针对通信业务对远程通信高速率以及多进程的迫切需求,基于龙伯透镜多焦点特性能够满足多星通信要求这一性能优势,研发出一种高可靠、高精度、长寿命和轻量化的卫星通信天线。研究侧重于双星天线的总体架构设计和多轴系高精度伺服系统的结构装配工艺。 同时针对龙伯透镜工程化难题,开展龙伯透镜分层设计和制造工艺优化分析,解决龙伯透镜参数控制及装调等工艺难点,为天线的生产加工提供指导。     

Measuring the refractive index in a wave excited in water by a laser pulse

The problem of measuring the refractive index in a spherical wave using the Toepler method with a two-sectional photodetector is considered. A technique for determining the width and amplitude of a wave perturbation from the measured time dependence of a schlieren signal is presented. It is shown experimentally that when a water surface is irradiated with an HF-laser pulse (the pulse energy is 50 mJ, the duration is 60 ns), an elastic wave with a width of ~2 mm and an amplitude that is inversely proportional to the travelled distance is excited. The minimum recorded value of the refractive-index gradient is ~3 × 10–8 mm–1; the absolute measurement error of the refractive index is 1.5 × 10–8. The obtained sensitivity and accuracy exceed the results that were previously published. The proposed approach is characterized by the extreme simplicity of the equipment, as well as by the easiness of the experimental implementation and processing of the measurement results.     

基于负折射率声透镜的亚波长分辨率光声实时成像方法

基于负折射率材料的信号处理技术为光声图像的研究提供了新的思路。光声成像是一种全新的非破坏性生物光子技术,是一种基于生物组织内光吸收差异的成像方法。然而,当前的光声成像方法主要依靠传感器扫描工作,而传感器阵列有其固有的缺点,导致实时性较差,因此,普通的光声成像方式具有一定的局限性。但是,利用具有负折射率的声透镜特性(如聚焦、滤波、定向等)构成的成像方式可以解决普通光声成像中的这些局限性问题。本文在对负折射率声透镜的负质量响应和负折射率成像进行优势分析后,提出了利用声透镜改变当前扫描成像的方法。模拟分析实验结果表明,所设计的声透镜直接成像方案达到了预期效果,透镜成像后像点的声压分布与吸收体原始的声压分布基本一致。此外,0.6倍波长的实验图像结果说明本文实现了亚波长的光声成像效果。     

基于光子晶体和法布里珀罗腔结构的折射率传感器

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。     

光通信用自聚焦透镜的制备

制备了自聚焦透镜的基础玻璃,对其透过率进行了测试,并对由这种玻璃制成的梯度折射率(GRIN)棒的折射率分布进行了分析.结果表明,基础玻璃在可见和近红外波段的透过率大于89%;GRIN棒内部的折射率分布接近理想分布.     

Strategies for the compensation of specimen-induced spherical aberration in confocal microscopy of skin

We consider various strategies for confocal imaging of human skin which seek to reduce the effects of the specimen-induced aberrations. We calculate the spherical aberration introduced by the stratified structure of skin and show how the confocal signal is affected when attempting to image at various depths within the dermis. Using simple methods it is shown how images might be improved by compensating for the induced aberration. The methods include the use of an iris to reduce the pupil area, changing the refractive index of the immersion medium and using a lens with variable coverglass correction.     

Development,production, and investigation of PMMA-based X-ray compound refractive lenses

Equipment and technology for producing X-ray refractive lenses from polymethyl methacrylate are described. Each single lens has a spherical profile with a radius of 2.38 mm. A compound lens is composed of 235 single lenses. The focal length of the compound lens for 14-keV X-ray photons is 4.8 m. The lenses developed thereby have been tested on the synchrotron radiation source of the Scientific and Engineering Complex at the Kurchatov Centre of Synchrotron Radiation and Nanotechnologies. The advantages and the drawbacks of the parabolic and spherical lenses are discussed.     

Analysis of spherical aberration of a water immersion objective: application to specimens with refractive indices 1.33–1.40

The method of using immersion medium to correct spherical aberration for water immersion objectives when the samples are not water is investigated. Spherical aberration is measured by an interferometer converted from a confocal microscope for samples with different refractive indices. When the proper refractive index of the immersion medium and thickness of cover slip are selected, the measured spherical aberration approaches zero. A theoretical model can be used for prediction of the immersion medium to correct spherical aberration for various samples. Using the thinnest available cover slip (100 μm), the zero spherical aberration condition can be applied to samples with refractive index as high as 1.40. Confocal images in the condition of almost no spherical aberration are included to demonstrate the improvement of axial resolution due to this correction.