存在罕见的光学现象“幻影”。在自然界中，表现为海洋或沙漠上方的高大建筑物和树木的外观。该现象是由于这些位置处的大气温度和密度的不均匀分布所致，这导致折射率的梯度分布，从而使物体的光发生折射以形成虚像。折射率分布不均匀不仅会引起特殊的自然现象，还会引起科学家的深入研究，并逐渐发展成为成像光学梯度折射率（GRIN）光学的一个分支。梯度折射率（GRIN）光学器件主要研究光在非均匀介质中的透射特性。实际上，光仅在均匀介质中沿直线传播，而在非均质介质中则沿弯曲传播。渐变折射率光学元件的材料不均匀，因此折射率以空间梯度分布，从而控制光的透射方向并实现光学功能。对于光学系统的设计，必须权衡系统成本和复杂性，尺寸和重量，并满足性能和寿命要求。与通过控制材料厚度和表面曲率来控制光透射的传统元件相比，梯度折射率光学元件可以简化光学系统并减少系统的体积和重量。另外，面对复杂的工作环境，玻璃是用于制备梯度折射率光学元件的优选材料。现有的制备梯度折射率玻璃的方法包括固体扩散法，溶胶-凝胶扩散法等，但是大多数基于扩散的制备方法仅限于折射率的二维（2D）梯度分布，并且这些步骤既复杂又费时。最近，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员已经使用多材料3D打印技术来制造定制的梯度折射率玻璃光学元件。这种方法可以将原本需要曲面透镜的某些光学功能直接添加到平板玻璃组件中。该技术有望应用于军事光学和VR眼镜领域。研究结果称为“ 3D打印梯度折射率玻璃光学”。并发表在ScienceAdvances上。这项工作的研究人员说，这项新技术可以在平板玻璃中实现各种传统和非传统的光学功能（无表面曲率），并为环境稳定的玻璃材料提供新的光学设计功能。墨水直写技术他们使用3D打印墨水直写技术（DIW）的方法。打印设备使用微型混合器喷嘴（图4）。在喷嘴的主动混合作用下，使用两种不同的二氧化硅掺杂浓度的二氧化钛。通过控制两种墨水的相对流速，进行墨水混合，从而调节输出墨水的组成比。根据设计的墨水浓度梯度来打印玻璃胚，浓度梯度决定了玻璃的折射率变化。然后，对3D打印的玻璃毛坯进行热处理，以去除有机成分并变稠为玻璃，最后进行抛光和扁平化（图5）。图4. GRIN玻璃印刷设备的原始图像来自Science Advances，由本文作者编辑。图5. GRIN玻璃制备过程的原始图像来自《科学进展》，本文的作者被编译以产生梯度折射率光学元件。研究表明，通过控制油墨成分，可以实现玻璃折射率梯度的定制化，并且印刷玻璃的光学质量和玻璃密度可以与市场上的玻璃相媲美。他们准备了基于传统光学透镜的GRIN光学组件，包括球面透镜，圆柱透镜和非球面透镜（图6）。此外，通过制备正弦和圆锥分布的GRIN元件，可以验证非单调且急剧变化的折射率梯度的可行性。图6. GRIN光学组件制造和表征的原始图像来自ScienceAdvances，该文章由本文的作者编辑。该技术的突出优点是可以针对GRIN组件进行定制。尽管这项工作仅显示了圆柱上二维梯度指数的实现，但该技术可以控制三维空间中的玻璃成分，这将开辟光学的一个全新领域。该技术有望扩展3D打印技术的功能，制备未发现的玻璃功能材料，并在光学，传感，光电领域具有潜在的应用前景。