近五年内梯度折射率材料及器件的应用于发展

近五年内梯度折射率光学材料及器件的应用的主要进展水悦(安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥230039)摘要：介绍几种主要的梯度折射率光学材料和常见的光学器件，论述了梯度折射率器件的应用现状和发展前景。关键词：梯度折射率材料；梯度折射率器件；应用前言梯度折射率介质又称为非均匀介质、变折射率介质或者渐变折射率介质，指一种折射率不是常数，而是按一定规律变化的介质，因此，英文称作GradientIndex(Grin)。梯度折射率光学是近40年才发展起来的一门新兴学科。但在自然界中，早在公元100年，人们就己观察到“海市蜃楼”奇景，它就是由于大气层折射率的局部变化对地面景色产生折射而出现的一种奇观。事实上，不仅大气层，海水、生物眼(较低级的不包括)的折射率也是非均匀的，人类眼睛晶状体就是梯度折射率变化的,折射率差约为0.015-0.049，这种梯度变化的材料和晶状体表面的非球面都极有利于像差的校正。通过对这些自然现象的观察、研究，人们逐渐领悟到材料折射率的非均匀性可以导致一些均匀介质所不具有的光学性能。本文介绍了梯度折射率材料的形成原理，综述了梯度折射率材料的研究进展，梯度折射率材料的发展前景。1梯度折射率材料简介及梯度形成原因梯度折射率光学材料的出现，至今大约有 100多年了。早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介质中传播的表征方程，并提出了现在人们所知道的Maxwell鱼眼透镜；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦轨迹在梯度折射率材料中传播的演示；1905年Wood的教科书“物理光学”上就有光通过一梯度折射率槽，显示正弦传播的照片底板。但是只是在近20年来，由于梯度折射率光学材料在复印机和传真机成像阵列以及光纤耦合器等方面的大量应用，才大大地驱动了他从材料制造、相差理论、光学设计应用开发等方面的快速发展。首先是美国罗切斯特大学D.T.Moore教授在设计方法和理论研究方面做了大量工作。在梯度折射率材料和透镜制造方面主要是日本板玻璃公司(NipponsheetGlass,NSG),在1992年由该公司J.Kitano等人采用离子交换法制成径向梯度折射率材料，后来又研制了齐明透镜，正如人们普遍了解的自聚焦透镜(Selfocrodlenses)。中科院西安光机所于1975年率先在国内研制成功了梯度折射率材料，相继20多年来得到了很大的发展。其中，安徽大学物理系在1988年至1996年对于球对称折射率光学器件的研究纠正了国际学术界长期认为麦克斯韦“鱼眼”球透镜不能用于成像和耦合的误解。所提出的改进模型及其复合结构不仅焦距短、像差小、耦合效率高、性能优良，且N低，易于制作，对于微小光学器件具有重要应用价值。该研究在国际上率先提出使用不同浓度混合融盐进行多阶段离子交换的方法，解决了制作高质量球对称梯度折射率球形透镜、精确控制GRIN

剖面形成的技术难题［1］。一般来说，光学玻璃是光学均匀性较好的一种光学材料，但其内部仍然存在An着不同程度的折射率不均匀分布。用"来表示折射率的变化，则任意两点间的折射率差可表示为：An(1)式中〔和4分别为积分方向和梯度方向的单位矢量［2］。通过逐点积分，求出整个样品内部的最大折射率差值△・•，即可获得玻璃均匀性优劣的评价目前，梯度折射率光学元件的梯度有三种形式。第一种是轴向折射率梯度(AGRIN),它的折射率沿光轴连续变化，具有相同折射率的表面是垂直于光轴的平面。第二种是径向或圆柱形折射率梯度(RGRIN),折射率从光轴开始由里向外连续变化。具有相同折射率的表面呈圆柱形，其轴线与透撬系统光轴重合。第三种是球面形折射率梯度(SGRIN),共折射率分布对称于某一点，具有相同折射率的面是球面。AGRIN透镜通常用于调整球面像差和简化光学系统，RGRIN透镜具有比轴向梯度折射率透镜更多的优点，所以RGRIN透镜应用最为广泛，它是将折射率从中心光轴沿半径方向连续递减变化的玻璃棒按具体应用长度截取，再将两端面研磨抛光成平行平面。由于其径向折射率梯度分布而有端平面透镜的光焦度，有时形象地称为“自聚焦透镜”一般取光轴中心折射率为 ，距中心的径向距离为r,则其折射率分布为：Mr)讥+W+時+%』卡…“、略去高次项，则:N(r)W略去高次项，则:N(r)W孕式中 为折射率分布常数；■为轴上折射率；r为透镜径向半径上某点至光轴距离［3］［4］。2梯度折射率材料的种类和制法2.1梯度折射率材料的种类梯度折射率材料的制作和元件的制作是同步进行的。由于这一特点，其种类除按化学成分分类外，还经常按其元件的构造来分类。按化学成分分，可分为无机材料和高分子材料两大类。无机材料特别是无机玻璃是最早研究的梯度折射率材料。早在1854年就提出了Maxwell鱼眼透镜的理论模型。1900年柯达公司的Wood提出了属于径向梯度折射率型的Wood透镜。1944年Lunberg提出一种能使无穷远物点完善成像的球透镜模型。1951年Mikaeligan提出了能理想成像的径向梯度折射率分布模型。但是由于制备工艺不能解决，这些模型都没有实用。其后，虽有许多学者作了不少理论研究和设计，

但直到1969年日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制作了玻璃梯度折射率棒和光纤，并在日本、美国、前西德、比利时等国申请了专利才引起了普遍的重视。从此，利用无机材料制作梯度折射率材料的研究发展很快。采用的无机材料种类也较多，主要有玻璃、锗砷、硫和硒的化合物，氯化钠，氯化银和氮化硅等。其中用离子交换法制成的玻璃梯度折射率棒已经达到实用化。玻璃梯折材料的优点是透过率咼，折射率差大，像差和色差小，分辨率咼。缺点是比重大，尺寸小，冲击强度差，制作过程较复杂。高分子梯折材料的研究始于20世纪70年代。1972年日本的人江正教首次报导用高分子盐离子交换法研制成高分子径向梯折材料，开辟了该类材料的新领域，立即受到了人们的广泛重视。日本在20世纪70—80年代对高分子梯折材料的制备方法、机理、光学性能和测试方法作了大量研究，其中以大蒙保治为首的研究小组的工作最为突出。他们研究了许多新的制备方法，发表了几十篇论文和专利。他们于1973年报导了高分子径向梯折材料，于1985年报导研制成高分子轴向梯折材料，于1986年报导研制成高分子球向梯折材料，于1988年报导研制成高分子立体梯折光波元件和单片二维梯折透镜阵列等。美国的Hamb1em和Moore等人以及前苏联科学院高分子所等也相继开展了研究，都巳研制出多种高分子梯折材料，特别是含氟的高分子梯折材料。高分子梯折材料目前主要有甲基丙烯酸甲酯、间（或邻）苯二甲酸二烯丙酯、二缩乙二醇二碳酸二烯丙酯（（CR—39）、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸四氟丙酯、苯乙烯和苯甲酸乙烯酯的二元和三元共聚物。高分子梯折材料的优点是比重小，价格低，易加工，抗冲强度大，可制成大尺寸产品和三维光波导元件。缺点是透过率和分辨率较低，折射率可调范围小，色差大和热性能差等，这些都影响它的实用性。到日前为止，高分子梯折材料仍处于实验室研究阶段，离实用化仍有相当的距离。按元件的构造分，可分为径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、球向梯度折射率球透镜、平板透镜（见图16—4）、平板微透镜阵列（见图16—5）、梯度折射率光波导元件（见闻16—6）等。图16-3轴向梯度折射率平凸透镜图16-4平板透镜A-基板;透彊㈤（b）图16-3轴向梯度折射率平凸透镜图16-4平板透镜A-基板;透彊㈤（b）图16-5平板微透撓阵列0—实物;I—像图16-6梯折光波导元件行）径向梯折分支光路器；（b）径向梯折星形耦合器;3）轻向梯折多路耦合器2.2梯度折射率光学材料的制备原理普通均匀玻璃的折射率是单一的，而梯度折射率玻璃的折射率是变化的。渐变的折射率可以通过多条途径来获得。研究表明，玻璃的折射率取决于其成分、结构、热历史等因素，且主要受成分和结构的影响［5］。当光通过透明材料时，使材料中的带电粒子极化，在极化过程损耗光自身的能量，导致光速减小；通过前后光速值之比即材料的折射率表征光在该物质中的偏转程度，所以，折射率受材料中带电粒子极化能力和浓度的影响。不同种类的阳离子具有不同的极化能力，改变玻璃的组成就能改变折射率。图1示出了不同种类金属阳离子与玻璃折射率的关系。由图l可以看出，处于“马鞍”两头的离子如Pb2+、Cs+等具有较高的折射率，处于“马鞍”底部的离子如K+、Na等的折射率较低。如果在玻璃组成中形成两种或多种阳离子的浓度梯度，势必会引起折射率的梯度变化，这就成为制备梯度折射率玻璃的基本思路。梯度折射率玻璃最早的工艺可以追溯到19世纪的中期。当时Ottoschott将玻璃快速冷却使其产生应力，制得了外部区域折射率较高的玻璃。一个半世纪后，梯度折射率玻璃的应用日趋广泛，制备工艺也在不断推陈出新。这些工艺主要包括离子交换法、溶胶一凝胶法、化学气相沉积法等。0 05 1(] 15 2,0图1部分阳离子与玻璃折射率的关系M2.3梯度折射率光学材料的制法我国对梯度折射率材料的研究起步较晚。中科院西安光机所和北京理工大学在玻璃梯折材料方面作了许多研究，在玻璃径向梯度棒和球向梯度球方面取得了不少进展，发表了不少论文。在高分子梯折材料方面的报导则较少，1981年西安光机所注景昌曾报导研制成一种DAP—MMA自聚焦光学塑料捧；浙江大学胡庆美等曾在1981年和1983分别报导研制成用光聚合法制成的梯折光学塑料棒；但以后未见连续报导。北京理工大学葛炳恒和周馨我从1985年起研究高分子梯折材料，1987年研制成直径5—10mm，△n=0.030—0.037,透过率＞80%,分辨率＞90线对/mm的径向梯度捧，1988年研制成高分子轴向梯度折射率材料，梯度深度＞10mm，An＞0.04，1989年研制成球向梯折材料，并对有关的制备方法和机理也作了较详细的研究。梯度折射率材料的制备方法的研究可以追溯到1900年，当时柯达公司的Wood用明胶做成了折射率沿径向变化的圆柱棒，沿垂直于棒轴方向的切片具有聚光和散光作用，这就是现在的径向梯度捧的雏形。此后，对梯折材料制法的研究经过近70年，发展缓慢。到1969年，离子交换法的发明，才有所突破。此后，

研究了许多制备方法，共有20多种如表16—1所示。表16—1所列的方法中，只有制备玻璃梯度棒的离子交换法达到了实用水平，其余方法均处于实验室阶段，其中化学气相沉积法、分子填充法、晶体增长法、溶胶一凝胶法、光刻一离子交换法、扩散法、扩散共聚法、光共聚法、悬浮共聚法、沉淀共聚法、蒸气转移一扩散共聚法和界面凝胶共聚法报导较多，且各具特色，下由简单介绍。表16-1梯度折射率材料的制备方法分子填充法An=0.025-0.060NA^0.6径向梯度捧透镜I溶胶-擬胶法扩散法=10mm扩散化学反应袪0=1亠5mm扩散共聚迭」分子填充法An=0.025-0.060NA^0.6径向梯度捧透镜I溶胶-擬胶法扩散法=10mm扩散化学反应袪0=1亠5mm扩散共聚迭」in=0.01-0.03,0疋3〜10mm离心力法An-0.07,0=2〜BOnuri薄膜层合迭An=0*016光共聚法An=0.0（4-0.030,-1""4rnm0.010-O'025, I 、 __ i一z亍1。mm 对于梯度折射材料的三种形式：球对称分布、径向分布和轴轴向分布三大类型，•可' ' '的函数紡布介质主要3*命4^-自i梯度折射3.1梯度折射率器件的应用和发展状况沉淀共聚法它们的折帥分别是到宦间某定点、定直线（轴）和定射率面分别为球面、圆柱面和平面。其中第一类轴向折像透镜消像差；第二类按径向折射率分布的细而长的变折射率光纤主要用作光波载体，是光通信的理想传输介质光、准直和成像的作用，是重要的微小光学器件，在内窥镜系统、光信息处理、传感系统、光学透镜以及光通信器件等方面有广阔的应用前景。径向梯度折射率透镜作为复印机、传真机的输入扫描成像列阵已经得到广泛的商业应用，目前日本板玻璃公司可以说占有100%的市场。径向梯度折射率透镜的另一个主要应用，即光通信中的光学耦合器、准直器和隔离器等。第三个方面是医用超细梯度折射率内窥镜和工业缺陷光学探测器等。在此方面，我们已经研制成功了几种不按径向折射率分布的粗而短的自聚焦透镜有导无机GIM高分子GIM制备方法参数制备方法参数离子交换祗NA^O.5高分子址离子交换法Ar=0*01,P=0.01~5.00mm中子辐射法共混高分子溶出袪1化学气相沉积法单体挥发迭An.=0.52An=0*01,^0.10~5.00nunAn^0.02~O.C3,©=10nun同直径和不同长度的医用内窥镜。第三类球向变折射率透镜具有几何形状高度对称，外形易加工，使用时调整容易，，不用特别取向、不存在斜光线、成像像差小、耦合率高、焦距短、成本低等优点，是最简单、最经济的微小光学器件，在微型光学系统和集成光学中具有广阔的应用前景。3.1.1梯度折射率器件的应用优势梯度折射率玻璃不同于普通光学玻璃在于其折射率的梯度变化导致光在其中以曲线的形式传播。由于这一特性，它被广泛用于光传播、通讯系统，主要产品为光学透镜和光波导纤维。梯度折射率透镜中，径向梯度折射率透镜(GRIN)的折射率从透镜中心到边缘呈径向变化，具有聚焦的能力；轴向折射率透镜(AGRIN)的折射率沿光轴方向变化，以变化的折射率校正球像差，这类透镜特别适用于激光系统，可获得更好的近衍射极限的聚焦性能，耐受更高的光功率，并且不需要其他校正像差的光学元件。GRIN和AGRIN都可用来简化复杂的光学系统。现在正广泛应用于成像、显示、光通信等光学领域。可以说，在新型的光通信领域，无处没有梯度折射率材料的身影，例如光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用/解复等，都可采用自聚焦透镜来完成。同时，光波导本身也是变折射率实体，如图2所示。其中的梯度折射率多模光纤正是梯度折射率材料的典型应用，这种结构设计可以减小因模间色散引起的延迟，同时，它因为比阶跃型光纤的光损耗小，而具有脉冲畸变小、频带宽、信息容量大等优点［6］。劉就折射韋变牝光程图2光纤结构特征与光通过肓式的关系312梯度折射率器件的发展状况••梯度折射率光学材料的应用研究是目前国际上相当热门的研究课题，有极其广泛的用途，被认为的确是世界性的商业需求。我们研制的各种径向梯度折射率材料工艺已经趋于成熟，在医用内窥镜方面得到应用。数值孔径NA=0.46的透镜在光通信方面有惊人的市场销量。西安光机所早在上世纪70年代初就开始对梯度折射率材料进行了系统、深入的研究和开发，经过几十年的努力，该项目的研究取得重大进展，先后研制出5种梯度折射率光学玻璃材料配方及其微透镜系列。本世纪初，又成功地完成了径向梯度折射率透镜(又称自聚焦透镜)系列化产品的中试研发工作，为了加快推进项目的产业化进程，2001年，西安光机所投资组建了国内最大的自聚焦透镜生产企业一一“飞秒光电科技(西安)有限公司”现该公司已成为自聚焦透镜系列产品国内最大的生产供应商。梯度折射率透镜在对梯度折射率玻璃材料进行研究的同时，西安光机所还率先在国内开展了光聚合物微透镜及其阵列的研发，由于聚合物光学材料具有固有的高负热光系数，塑性强、重量轻、易于制造、价格低廉、数值孔径大、易于耦合等特点，对波导器件、集成光学和光生物传感器件有很大的吸引力，因此，是一个具有广泛应用前景的开发研究领域。目前，西安光机所已成功研制出一套聚合物微透镜微喷打印装置。聚合物微透镜阵列在“梯度折射率光学材料及微透镜系列”项目的研究工作中，西安光机所先后取得5项发明专利及4项实用新型专利，具有完全自主的知识产权。项目总体技术水平达到国际先进，同时在推进项目产业化的发展工作中还取得了显著的经济效益和社会效益。以消除像差为例，在传统的光学工程中，人们使用的都是均匀的光学材料,在进行光学系统设计时往往要依靠改变界面曲率、间隔、玻璃品种等结构参数来校正像差。随着对光学仪器的要求越来越高，不得不开发新的玻璃品种，增加光学系统的透镜片数等等，同时也引起光学仪器体积、重量、成本和光能损失也大大增加。为此光学工程师绞尽脑汁来寻找一种既能简化光学系统,又能优化像质的新途径。较常用的方法是使用面形的复杂化来增加校正像差的自由度,但这种方法不仅加工工艺和检测方法复杂，而且不是对校正各种像差都有效。梯度折射率材料（光学玻璃、塑料、锌硒化物等等）的出现，为光学工程设计师们提供了一条新的思路，即利用折射率的变化来校正像差。近年来梯度折射率光学得到的发展充分表明：一块轴向梯度折射率平板可等效于一堆不同折射率均匀介质板，没有光焦度;一块弱径向梯度折射率平板可等效于一个难以加工、难以测试的非球面斯密特校正板；一个径向梯度折射率棒可等效于一串中继透镜，，这在内窥、潜望等光学系统中尤显其长；一个轴向梯度折射率球面在校正像差方面可等效于普通透镜的非球面作用［7］。3.2梯度折射率材料应用的发展方向利用梯度折射率光学可减少光学系统组件，简化加工工艺，为科技工程设计师们提供了一条使光学系统向微型化、轻型化、优质化、易装配等方向发展的新途径。今天，变折射率光学在光线追迹、制作方法、像差理论和透镜设计方面已趋成熟，变折射率光学己成为一门新的学科，变折射率透镜已成为一种极其重要的微小光学元件。利用变折射率光学元件，可以减少光学系统组件，简化加工工艺，使光学系统向微型化、集成化、轻型化、易装配化等方向发展。在光纤通信器件、望远镜、小型照相机、显微物镜、内窥镜等成像光学系统，光纤传感器、成像传感器、机器人等传感技术以及光盘读头、复印机、传真机、光计算等领域中得到广泛的应用。国际学术界也给予梯度折射率光学高度重视，美国《AppliedOptics》杂志已将其列为一个栏目，定期发表有关论文、交流信息，有力地推动了它的发展。可以预见，随着科学的发展，梯度折射率光学必将扮演越来越重要的角色。3.3梯度折射率光学材料的应用实例3.3.1口腔内窥镜作为微型成像系统，在设计上需要考虑尽可能地减小光学成像系统的体积，以便适应口腔内部结构，而如果上述光学系统光学透镜的片数太少，则无法清晰成像；反之，如果片数太多，则会明显增大微型成像系统的外形尺寸，与实际使用场合要求相违背。梯度折射率透镜应用于此微型成像系统解决了均匀折射率透镜成像系统的一些不足，提高了总体技术要求，改善了同类产品的性能。

«诊疗设备，它是集光学、光学材口腔内窥镜是近年来国际上最新开发的口丿«诊疗设备，它是集光学、光学材料与加工、微电子、数字成像系统等技术为一体的新型医疗设备。系统由梯度折射率透镜(gradientrefractiveindexlens)、CCD光电转换装置、图像控制单元、电子病历等模块组成。_ 头对患处进行摄像经光电转换、数字电路处理后,清晰地将患处图像显示在屏幕上。病人可以通过屏了解自己患病部位的情况、

对自己的口腔疾病在治疗前、治疗中、治疗后的全过程进行了解，密切了医患关

系。同时，该机还可以通过多媒体作网上远程会诊，图像资料存贮，在处理医患

关系、医疗纠纷、教学科研等方面都具有较广阔的应用前景。口腔内窥镜它由高解析度的彳_ 头对患处进行摄像经光电转换、数字电路处理后,清晰地将患处图像显示在屏幕上。病人可以通过屏了解自己患病部位的情况、

对自己的口腔疾病在治疗前、治疗中、治疗后的全过程进行了解，密切了医患关

系。同时，该机还可以通过多媒体作网上远程会诊，图像资料存贮，在处理医患

关系、医疗纠纷、教学科研等方面都具有较广阔的应用前景。口腔内窥镜(intraoralcamerasystem)前端安装有LED照明光源，医生可以将摄像头放入患者口腔内，取患者的口腔情况，将组织显示在显示器上。由于需要观察口腔内部的情况，要求景深大，在30mm内都能清楚地成像,而单片球面透镜和非球面透镜都不能实现这种功能。采用新型二次无源离子交换单片梯度折射率成像透镜，既满足了景深的要求，同时又减小了渐晕，改善了畸变。3・3・2管道内窥镜管道内窥镜凭借其体积小、结构灵活的特点，已经广泛应用于各种管道设备的生产、检测及日常检测和维护中。它作为一种无损检测设备，有效延长了人眼的视距，突破了人眼观察的死角，可以准确、清晰地观察管道设备内部或零件内表面的情况，如磨破损、表面裂纹等，避免了不必要的设备拆卸以及零部件损伤,具有操作方便，检查效率高，结果客观准确的优势，是管道设备检测的一个有力工具。高质量的管道内窥镜既需要大的放大倍率，又需要大的景深。因此，放大倍率与景深的矛盾成为制约管道内窥镜性能的瓶颈。利用梯度折射率透镜介质折射率渐变的特点，将其与显微物镜相结合,设计了其像面弯曲近似球面、大景深的管道内窥镜。管道内窥镜如图2,检测被测管道时，被照明的检测表面先经径向梯度折射率透镜成像，经反射镜转向后，再用显微物镜将其放大，最后通过场镜和转像透镜成像并由CCD接收，最终通过监视器观察检测结果。

图2管道内窥镜结构Fig.2Layoutofthepipelineendoscope3.3.3自聚焦透镜的光纤数据传输系统自聚焦透镜的折射率沿径向呈梯度变化，因而与传统的具有均匀折射率分布的普通透镜不同，光线在自聚焦透镜内的传播轨迹为曲线，且呈周期变化。在光纤数字全息光路中引入自聚焦透镜，利用其特有的成像特性，作为物光波的中继传输器件，构成一套紧凑型光纤数字无透镜傅里叶变换全息记录系统，以实现对微小物体的全息记录与数值再现。研究结果表明，结合自聚焦透镜和光纤数字全息术的特点，不仅可使光学测试系统紧凑、微型化，而且还可以对一些特殊环境、光线难以直接到达的隐藏区域或封闭系统内部进行测量。自聚焦透镜与传统的球面透镜相比，除了具有重量轻、体积小的特点外，还能较好地校正像差，且易于与光纤耦合及连接等优点，而被广泛应用于光纤传感系统中，用以测量位移、振动、内外三维曲面和微观形貌等。同样，将自聚焦透镜运用到光纤数字全息光路中作为物光复振幅的中继传输器件，不仅可使光学系统小型化，而且还可以利用其特有的结构特性对一些光线难以到达的隐藏区域进行近距离成像，从而可实现对物体的隐蔽区域或封闭系统内部全息图的数字记录。

X八« Z >光线在自聚焦透镜中的传播(a) (b)自聚焦透镜对字母和螺钉成像后的全息再现结果3.3.4轴向梯度折射率TFCCD监视镜头现在安全监控仪器使用非常广泛，比如政府大楼、银行柜台和自动取款间、学校大门和重点研究机构、道路交通违章和