【《梯度折射率透镜的分类》2000字】

1绪论梯度折射率透镜的分类目录TOC\o"1-3"\h\u9824梯度折射率透镜的分类 1127191.1轴向梯度折射率透镜 146181.2径向梯度折射率透镜 2313181.3球型梯度折射率透镜 3135151.4自聚焦透镜的光学参数 4由于梯度折射率光学玻璃材料具有特殊的光学特性，因此在微小光学、光纤通信、光纤传感和空间光子学研究领域具有不可替代的优势。梯度折射率材料(GRIN)按照折射率分布的方向分类，主要分为径向、轴向和球面梯度折射率透镜3种REF_Ref31866\r\h[14]。1.1轴向梯度折射率透镜对于轴向梯度折射率透镜而言，沿光轴方向（z方向）的折射率按梯度分布，而在垂直于光轴的方向上折射率为常数,示意图如图1.2所示。图1.2轴向梯度折射率透镜示意图轴向梯度折射率分布的表达式为：N(z)=沿坐标方向折射率增大时或玻璃表面折射率小而内部折射率大时，称为正折射率梯度。反之则称逆折射率梯度。若将轴向梯度折射率透镜的两个表面磨成曲面，适当选择折射率分布和曲面的曲率，则可校正单透镜的球差。在许多光学系统中，轴向梯度折射率透镜可在保证成像质量的同时，减少系统光学元件的数量。口腔内窥镜作为近年来国际上开发的最新诊疗设备，就是将轴向自聚焦透镜作为成像元件，除此之外，目前美国陆军M-19望远镜中使用的就是轴向梯度折射率透镜REF_Ref31866\r\h[14]。1.2径向梯度折射率透镜径向梯度折射率透镜的折射率在垂直于光轴方向的平面变化，且关于光轴对称分布，在光轴方向折射率不发生变化，示意图如图1.3所示。图1.3径向梯度折射率透镜示意图径向梯度折射率分布透镜的折射率分布表达式为：一般情况下略去四次及以上的高次项，只保留平方项及一下项，此时的折射率成二次分布，习惯上将上式改写为：A就是径向梯度折射率透镜的聚焦常数，为芯轴轴上的折射率。径向梯度折射率透镜在光学成像领域应用广泛。这种透镜由于其光线传输轨迹的特性，也被称之为自聚焦透镜，它与一般的球透镜或是薄透镜的光路有着明显区别。折射率分布的细而长的变折射率光纤也是光波的良好载体,在光线通信中有着不可替代的作用。自聚焦透镜具有导光、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。例如在光通信系统中主要用于光纤准直器、光开关以及光隔离器、光波分复用器等微光学被动组件中。图1.4.1阶跃型透镜的光线传播轨迹与折射率分布示意图图1.4.2渐变型透镜的光线传播轨迹与折射率分布示意图1.3球型梯度折射率透镜如果透镜的折射率分布满足如下形式：即折射率分布具有对原点的球面对称形式，则它属于球面梯度折射率透镜，球型梯度折射率透镜示意图如图1.5所示。球面梯度透镜的折射率分布对原点具有球面对称形式，而球面GRIN透镜因其对球心呈球对称形式且无光轴存在，因此利用它可完全消除径向GRIN透镜中离轴空间光线(斜光线)产生的像差。利用离子交换法制得的球面梯度透镜阵列已广泛用于用于集成光学和微小光学等REF_Ref32555\r\h[15]领域。图1.5球型梯度折射率透镜示意图梯度折射率透镜通常有更好的聚焦效果，如图1.6所示：图1.6梯度折射率透镜聚焦效果图球面梯度折射率透镜具有几何形状高度对称:外形易加工；使用时调整方面；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,梯度折射率透镜在微型光学系统和空间光学等领域中具有广阔的应用前景。其中，径向梯度折射率透镜应用最为广泛REF_Ref32555\r\h[15]。1.4自聚焦透镜的光学参数各种梯度折射率透镜有着不同的功用，其中径向梯度折射率透镜应用最为广泛。径向梯度折射率透镜的介质折射率在垂直于光轴的界面有着抛物线一般的分布，这令两个端面为平面的单个径向GRIN棒透镜就具有聚焦成像的能力。这也是径向GRIN透镜被称为自聚焦透镜的原因。自聚焦透镜独特的性能使其不仅在光电子学领域用作成像元件REF_Ref910\r\h[17]或者信息处理元件(如:显微镜、内窥镜，并且已成功应用于复印件、照相机、LED打印机等众多设备）REF_Ref855\r\h[18]。其中医用内窥镜的发展最为迅速，最近十几年也已经实现了商业化生产，用于矫正视力问题的自聚焦眼睛也有了实验产品。而且在光纤通信领域，梯度折射率光纤己商业化生产，光开关、波分复用器等光耦合器件也已商业化生产REF_Ref976\r\h[19]。变折射率透镜或自聚焦透镜的材料折射率自芯轴到透镜边缘的折射率是逐渐减小的，并且折射率分布是轴对称的，因此一般将自聚焦透镜的折射率分布表示为：（1.1）其中A是表征折射率变化快慢的聚焦常数，r是镜片上某一点到光轴的垂直距离。从射线光学的角度对自聚焦透镜的成像和聚焦特性进行分析，光线传播应满足如下射线方程REF_Ref1038\r\h[20]：（1.2）式中s是从某一起始参考点到观察点的距离，r是该点的位矢。对于子午光线在傍轴近似下由1.1和1.2式得：（1.3）假设在z=0处子午光的径向距离分别是和利用这一初始条件可以得到方程1.3的解：从该式可以看出，自聚焦透镜子午面传播的光线具有正弦曲线的形状，且空间周期为,这个参数被称为自聚焦透镜的节距。自聚焦透镜的一些主要光学参数REF_Ref1038\r\h[20]如下：其