梯度折射率材料及器件

,梯度折射率光学材料与器件简介,作 者 指导老师,梯度折射率材料的发展,摘 要,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,第一章,第二章,第三章,第四章,梯度折射率材料的类型,梯度折射率材料制成的器件,结 语,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的发展,第一章,近年来，光学领域以其一系列崭新成就而为世人所注目，其中之一就是得到迅速发展的梯度折射率光学。梯度折射率光学在材料制备、器件制作、性能测试的实验和理论研究，尤其是以远距离通信、信息传感及以成像为目的的研究方面显示出了广阔的应用前景。,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。人类眼睛晶状体就是梯度折射率变化的, 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,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的发展,第一章,在 1854 年, 英国著名物理学家麦克斯韦(Maxwell)提出的 Maxwell 鱼眼介质模型, 这是梯度折射率光学介质最早的理论设想被称为理想的“绝对光学仪器”,1900 年, 伍德(R.W.Wood) 用明胶制成了折射率成轴对称分布的圆柱棒, 沿垂直于棒轴方向的切片对光有会聚和发散作用, 即历史上有名的伍德透镜, 也是现在的径向梯度折射率棒透镜的雏形。,1944 年, 鲁尼博格提出了一种能使无穷远物点锐成像的球透镜模型,与Maxwell 鱼眼介质模型一样, Luneburg 透镜的折射率分布是球对称的。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的发展,第一章,1954年有人提出了一种能理想成象的折射率分布:,此即抛物线型折射率分布,该模型可以把子午光线周期性的、无像差的会聚于一点。为径向梯度折射率棒透镜的发展提供了重要的理论依据,80 年代是梯度折射率光学理论蓬勃发展的时期。人们发展了光线转换的光线追迹方法, 提出了光波面截距法及平行光轴光线追迹法和不同的计算光程的方法。 不仅使人们对梯度折射率材料的性能有了更深刻的认识,而且为人们提供了很有用的设计方法。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的发展,第一章,1964 年, 日本的西泽和佐佐木利用当时已存在的离子交换工艺可以改变玻璃表面折射率的技术, 大胆设想可以采用离子交换工艺来制作梯度折射率介质。,1970 年, 日本采用离子交换工艺首次成功制作了梯度折射率介质透镜- 聚光纤棒, 称为自聚焦透镜,1973 年, 奥特萨卡采用两步扩散- 共聚工艺制作了塑料梯度折射率透镜。标志着梯度折射率光学进入新的发展阶段。,在我国, 中国科学院西安光学精密机械研究所从 1972 年开始在著名光学专家龚祖同院士指导下进行自聚焦透镜的研究。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的发展,第一章,1974 年他们采用离子交换方法制作出实验样品自聚焦透镜。 1988 年他们研究的样品分辨率得到较大的提高。 在 1991 年, 刘德森等人采用两步电场辅助下的光刻离子交换工艺成功制作出球形平面微透镜阵列。到 1999 年, 技术就已经相当完善了, 所制作的自聚焦透镜的某些性能甚至超过日本的产品。 2002 年, 刘德森等人采用平面掩膜光刻离子交换技术研制出用于大功率激光二 极管阵列光束整形的平面梯度折射率微柱透镜。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料基本分类,第二章,梯折材料按其折射率的分布特性可分为五种基本类型即轴向梯折材料、径向(或园柱形)梯折材料、球面梯折材料、层状梯折材料、圆锥状梯折材料1轴向梯折材料 轴向梯折材料的折射率沿光轴连续地变化，等折射率面是一系列与光轴垂直的平面。如果设此方向为光轴z方向,则其折射率满足,2.1 基本分类,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的类型,第二章,二、径向(或园柱形)梯折材料。它的折射率从光轴向外连续地变化，等折射率面是与光轴相对应的无数圆柱面。折射率函数可写作,三、球面梯折材料其折射率分布有一对称点，等折射率面是无数以对称点为中心的球面。梯度的对称中心与表面的曲率中心不一定需要重合。,具有这种分布的介质，且圆柱端面垂直于轴者称为Wood透镜。细而长的Wood透镜适用于光通讯等领域。,麦克斯韦鱼眼透镜、鲁尼伯格透镜是早期发展起来的球面梯折材料，用于光谱的微波区域。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,四、层状梯度分布材料折射率仅沿x轴(或y轴)方向变化，折射率可写作n=n(x)或n=n(y) 形式。具有该分布的介质在有梯度的方向上对光线进行汇聚(发散)，因此具有柱面透镜的一维放大作用，其中折射率的平方作线性变化者具有棱镜作用。,另外，梯折材料按其结构特性也可分为三类。一、晶体材料。这是微粒在空间作有规则排列的一类固体。与单组分晶体不同，梯折晶体通常都是由两种或两种以上成分组成的混合晶体。而且两种组分的浓度随轴向或径向呈正反梯度变化。即如果我们用C1表示一种物质的浓度，C2为另一种物质的浓度，那么在任一区域就有CI十C2=1的关系。如氯化钠、氯化银等，它们在红外区域具有较宽的透过波段，是红外仪器和器件的良好材料。,五、圆锥状梯度分布材料对于三个轴向皆有梯度，但x和y方向上梯度分布相同。其等折射率面是中心轴对称圆锥面系。自然界中昆虫的眼睛有一部分就是由这种分布构成的。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,三、有机高分子化合物。它们是由有机化合物单体经不同条件的聚合或共聚以后所得的在聚合度或组分上稍有区别的一类高分子材料。所得的材料的几何尺寸远大于晶体和玻璃，具有成型和加工简便的优点，但在机械性质和热稳定性方面较差。,二、玻璃。这是短程无序，远程有序的一类固体。它们是由特殊组分的玻璃通过不同方法处理以后得到的。其中某些成分沿不同方向按一定规律变化。例如，经离子交换或中子辐照以后所得的钠一钙硅酸盐玻璃、钠一钙磷酸盐玻璃、硼一铝硅酸盐玻璃等都是一类具有应用前景的梯折材料,2.2球对称GRIN分布介质的光学基础,由费马原理可知，在非均匀折射率分布介质中光线的传输遵循光线微分方程,球对称梯度折射率器件是指折射率分布形式如n=n(r)的光学器件，介质中任一点的折射率只是该点到某定点的距离的函数，介质内等折射率面是以此定点为球心的一簇同心球面。,1.球对称GRIN介质中光线的平面性,2. 球对称GRIN介质沿光线不变量,每条光线有,3. 球对称介质中光线的弯曲方向,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,2.3 麦克斯韦鱼眼微球表面漫射材料,麦克斯韦鱼眼介质是Mxawell在1854年提出的一种球对称GRIN介质模型，其折射率分布函数为:,式中n。是球心处的折射率，r是任一点至球心的径向距离，a是折射率分布常数。,麦克斯韦鱼眼分布介质中的光线轨迹表达式为,该式是一个圆方程，它表示Maxwell鱼眼介质中的一般光线的轨迹都是一个圆。在特殊情况下(光线过球心时)光线轨迹蜕化为通过介质中心的直线。,麦克斯韦鱼眼分布介质中的光线轨迹,麦克斯韦鱼眼微球对表面漫射材料性能的改善,图中r0为微球半径、h为光线的入射高度、为出射光线与入射光线反方向的夹角,则入射光线的约化高度h/r0可简记为H,微球的漫射性能可用H-关系图来表示.,麦克斯韦鱼眼微球对表面漫射材料性能的改善,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,球 粒 径 的测量,GRIN微球光学性能的测量,透过率的测量,表面张力的测量,不圆度的测量,折射率分布的测量,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,透过率测量,采用氦氖激光器作光源，将激光束打入聚合物微球，透过微球的激光经过积分球检测其光强，光强直接由与积分球相连的光电检流计读出。,透过率的大小即为透过小球的激光光强与直接进入积分球的激光光强的比值。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 类型,第二章,折射率分布的测量,剪切干涉法测量原理简介,实验装置：干涉仪、显微镜,折射率计算理论分析,如图4.4示，对于样品剖面而言，折射率关于圆心对称分布，即折射率n为半径r的函数n=n(r)。固定像的圆心为O，移动像的圆心为O，则A点的条纹偏移y由P点的折射率差n(r)-n(R)所决定其中r=0P，R=0P，y=AP则:,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的应用,第三章,一种大数值孔径的梯折透镜已经在西安光机所自聚焦透镜生产线研制成功。这种透镜是用一种掺杂有高极化离子的新型玻璃系统制成的。把玻璃制成棒，然后浸入到硝酸盐溶液中进行离子扩散而产生近抛物线型的折射率分布。把这种棒截成适当长度就可成倒立、正立、放大、缩小的各种实象或虚象。这种梯折透镜的特点是数值孔径大(NA=0.550.60)，成象清晰(分辨4001p/mm)，化学稳定性高，经久使用不发生裂痕或潮解。,3.1大数值孔径的梯折透镜,大数值孔径透镜主要用于半导体光源的准直、聚焦、光源与光纤的耦合，光盘中的抬光透镜，传真机用排透镜，内窥镜物镜等一系列微光器件中。已经用于半导体激光器的准直，反映良好，也已经用作内窥镜物镜，这种玻璃材料由于长期在高温熔盐中悬吊不伸长不变形，因而该生产线已经制出了直径大至10mm的透镜,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 应用,第三章,如图所示的激光聚束镜,设计了三个单片透镜:使用普通玻璃,全球面。用一片非球面(前表面),普通玻璃使用轴向梯度折射率材料,全球面。,3.2用轴向梯度折射材料设计激光束聚焦镜头,(c)的MTF接近衍射极限,像差最好,(b)次之, (a)是最差的,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的应用,第三章,3.3梯度折射率聚合物微球光纤准直器的研制,开发该产品的意义一、理论计算已体现出来新型准直器可能具有更为优越的准直性能;二、光路短、尺寸小有利于器件和系统的进一步小型化和集成化;三、新型准直器可能具有价格的优势。,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 应用,第三章,3.5血管内窥镜,物 镜,传 像 系 统,工 作 直 径,光 学 特 性,电视显示及录像,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 应用,第三章,内窥镜物镜通常由4-7片透镜组成。在内窥镜外径很细的情况下，例如小于2mm，其观察系统外径更小。在这种情况下，加工外径为2mm左右的小透镜难度大，成本高，又不易装配。但是GRIN透镜极易满足上述要求。这种透镜系两端为平面圆柱形，它的直径小，通光效率高，容易加工，焦距短，其折射率沿径向改变，且对于近轴光.透镜径向折射率分布近似为两次抛物线分布,式中r为透镜上一点到中心轴的距离;n0为轴上点折射率;n(r)为距离为r的点的折射率;g为第二阶折射率系数。,z0为GRIN透镜的长度。当zo=n+/2(n=0，1，2，3)，f有最小值。所以，使用GRIN透镜很容易获得短焦距物镜。,GRIN透镜的数值孔径,式中，u为中心和边缘折射率之差。通常GRIN透镜的数值孔径为0.4左右。内窥镜的成像质量主要取决于物镜。对GRIN透镜的像差分析可知，在小视场情况下，其像质较好，这正适合于血管内窥镜观察的要求,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 应用,第三章,位于物镜之后，它可由成像纤维束或GRIN透镜组成。对柔性的血管内窥镜，传像系统由成像纤维束组成。纤维束直径对内窥镜的分辨率有较大影响，目前单丝直径可做到8um，lmm内约有12000丝左右，其分辨率足以满足血管内窥镜的要求。纤维束的长度应能满足工作长度大于1.3m的需要，使血管内窥镜能插人心导管，以诊断及治疗心脏疾病。对其它部位的器官，也可按具体情况决定工作长度。对针状关节镜，可使用单根GRIN透镜棒，它类似于多个透镜.物体经物镜成像后，其像在GRIN透镜棒内反复传递至目镜的前焦面，人眼经目镜即可观测该像。GRIN透镜的长度视内窥镜工作距离而定，对针状内窥镜，其长度大于200mm。,传像系统,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 应用,第三章,1)景深膝关节腔、心血管及动静脉的观察空间不象某些器官(例如胃)大，因而这类内窥镜不需要大的景深，通常自物镜端2-25mm已能满足要求。对于短焦距物镜，上述要求极易达到。,光学特性,2)分辨率血管内窥镜的分辨率由动脉内需分辨的最小物决定。例如，动脉