梯度折射率材料及器件

1、,梯度折射率光學(xué)材料與器件簡(jiǎn)介,作 者 指導(dǎo)老師,梯度折射率材料的發(fā)展,,摘 要,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,第一章,第二章,第三章,第四章,梯度折射率材料的類型,梯度折射率材料制成的器件,結(jié) 語,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的發(fā)展,第一章,近年來，光學(xué)領(lǐng)域以其一系列嶄新成就而為世人

2、所注目，其中之一就是得到迅速發(fā)展的梯度折射率光學(xué)。梯度折射率光學(xué)在材料制備、器件制作、性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)和理論研究，尤其是以遠(yuǎn)距離通信、信息傳感及以成像為目的的研究方面顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。,早在公元 100 年, 人們就己觀察到“海市蜃樓”奇景, 它就是由于大氣層折射率的局部變化對(duì)地面景色產(chǎn)生折射而出現(xiàn)的一種奇觀。人類眼睛晶狀體就是梯度折射率變化的, 這種梯度變化的材料和晶狀體表面的非球面都極有利于像差的校正。通過對(duì)這些自然現(xiàn)象的觀察、

3、研究,人們逐漸領(lǐng)悟到材料折射率的非均勻性可以導(dǎo)致一些均勻介質(zhì)所不具有的光學(xué)性能,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的發(fā)展,第一章,,在 1854 年, 英國(guó)著名物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell)提出的 Maxwell 魚眼介質(zhì)模型, 這是梯度折射率光學(xué)介質(zhì)最早的理論設(shè)想被稱為理想的“絕對(duì)光學(xué)儀器”,1900 年, 伍德(R.W.Wood) 用明膠制成了折射率成軸對(duì)稱分布的

4、圓柱棒, 沿垂直于棒軸方向的切片對(duì)光有會(huì)聚和發(fā)散作用, 即歷史上有名的伍德透鏡, 也是現(xiàn)在的徑向梯度折射率棒透鏡的雛形。,1944 年, 魯尼博格提出了一種能使無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)銳成像的球透鏡模型,與Maxwell 魚眼介質(zhì)模型一樣, Luneburg 透鏡的折射率分布是球?qū)ΨQ的。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的發(fā)展,第一章,,1954年有人提出了一種能理想成象的折射率分布

5、:,,此即拋物線型折射率分布,該模型可以把子午光線周期性的、無像差的會(huì)聚于一點(diǎn)。為徑向梯度折射率棒透鏡的發(fā)展提供了重要的理論依據(jù),80 年代是梯度折射率光學(xué)理論蓬勃發(fā)展的時(shí)期。人們發(fā)展了光線轉(zhuǎn)換的光線追跡方法, 提出了光波面截距法及平行光軸光線追跡法和不同的計(jì)算光程的方法。 不僅使人們對(duì)梯度折射率材料的性能有了更深刻的認(rèn)識(shí),而且為人們提供了很有用的設(shè)計(jì)方法。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPI

6、C 4,梯度折射率材料的發(fā)展,第一章,,1964 年, 日本的西澤和佐佐木利用當(dāng)時(shí)已存在的離子交換工藝可以改變玻璃表面折射率的技術(shù), 大膽設(shè)想可以采用離子交換工藝來制作梯度折射率介質(zhì)。,1970 年, 日本采用離子交換工藝首次成功制作了梯度折射率介質(zhì)透鏡- 聚光纖棒, 稱為自聚焦透鏡,1973 年, 奧特薩卡采用兩步擴(kuò)散- 共聚工藝制作了塑料梯度折射率透鏡。標(biāo)志著梯度折射率光學(xué)進(jìn)入新的發(fā)展階段。,在我國(guó), 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究

7、所從 1972 年開始在著名光學(xué)專家龔祖同院士指導(dǎo)下進(jìn)行自聚焦透鏡的研究。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的發(fā)展,第一章,,1974 年他們采用離子交換方法制作出實(shí)驗(yàn)樣品自聚焦透鏡。 1988 年他們研究的樣品分辨率得到較大的提高。 在 1991 年, 劉德森等人采用兩步電場(chǎng)輔助下的光刻離子交換工藝成功制作出球形平面微透鏡陣列。到 1999

8、 年, 技術(shù)就已經(jīng)相當(dāng)完善了, 所制作的自聚焦透鏡的某些性能甚至超過日本的產(chǎn)品。 2002 年, 劉德森等人采用平面掩膜光刻離子交換技術(shù)研制出用于大功率激光二 極管陣列光束整形的平面梯度折射率微柱透鏡。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料基本分類,第二章,梯折材料按其折射率的分布特性可分為五種基本類型即軸向梯折材料、徑向(或園柱形)

9、梯折材料、球面梯折材料、層狀梯折材料、圓錐狀梯折材料1軸向梯折材料 軸向梯折材料的折射率沿光軸連續(xù)地變化，等折射率面是一系列與光軸垂直的平面。如果設(shè)此方向?yàn)楣廨Sz方向,則其折射率滿足,2.1 基本分類,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的類型,第二章,,二、徑向(或園柱形)梯折材料。它的折射率從光軸向外連續(xù)地變化，等折射率面是與光軸相對(duì)應(yīng)的無數(shù)圓柱面。折射率函

10、數(shù)可寫作,三、球面梯折材料其折射率分布有一對(duì)稱點(diǎn)，等折射率面是無數(shù)以對(duì)稱點(diǎn)為中心的球面。梯度的對(duì)稱中心與表面的曲率中心不一定需要重合。,具有這種分布的介質(zhì)，且圓柱端面垂直于軸者稱為Wood透鏡。細(xì)而長(zhǎng)的Wood透鏡適用于光通訊等領(lǐng)域。,麥克斯韋魚眼透鏡、魯尼伯格透鏡是早期發(fā)展起來的球面梯折材料，用于光譜的微波區(qū)域。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 類型,第二章,

11、四、層狀梯度分布材料折射率僅沿x軸(或y軸)方向變化，折射率可寫作n=n(x)或n=n(y) 形式。具有該分布的介質(zhì)在有梯度的方向上對(duì)光線進(jìn)行匯聚(發(fā)散)，因此具有柱面透鏡的一維放大作用，其中折射率的平方作線性變化者具有棱鏡作用。,另外，梯折材料按其結(jié)構(gòu)特性也可分為三類。一、晶體材料。這是微粒在空間作有規(guī)則排列的一類固體。與單組分晶體不同，梯折晶體通常都是由兩種或兩種以上成分組成的混合晶體。而且兩種組分的濃度隨軸向或徑向呈正反梯度變

12、化。即如果我們用C1表示一種物質(zhì)的濃度，C2為另一種物質(zhì)的濃度，那么在任一區(qū)域就有CI十C2=1的關(guān)系。如氯化鈉、氯化銀等，它們?cè)诩t外區(qū)域具有較寬的透過波段，是紅外儀器和器件的良好材料。,五、圓錐狀梯度分布材料對(duì)于三個(gè)軸向皆有梯度，但x和y方向上梯度分布相同。其等折射率面是中心軸對(duì)稱圓錐面系。自然界中昆蟲的眼睛有一部分就是由這種分布構(gòu)成的。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折

13、射率材料的 類型,第二章,三、有機(jī)高分子化合物。它們是由有機(jī)化合物單體經(jīng)不同條件的聚合或共聚以后所得的在聚合度或組分上稍有區(qū)別的一類高分子材料。所得的材料的幾何尺寸遠(yuǎn)大于晶體和玻璃，具有成型和加工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但在機(jī)械性質(zhì)和熱穩(wěn)定性方面較差。,二、玻璃。這是短程無序，遠(yuǎn)程有序的一類固體。它們是由特殊組分的玻璃通過不同方法處理以后得到的。其中某些成分沿不同方向按一定規(guī)律變化。例如，經(jīng)離子交換或中子輻照以后所得的鈉一鈣硅酸鹽玻璃、鈉一鈣磷酸鹽

14、玻璃、硼一鋁硅酸鹽玻璃等都是一類具有應(yīng)用前景的梯折材料,2.2球?qū)ΨQGRIN分布介質(zhì)的光學(xué)基礎(chǔ),由費(fèi)馬原理可知，在非均勻折射率分布介質(zhì)中光線的傳輸遵循光線微分方程,球?qū)ΨQ梯度折射率器件是指折射率分布形式如n=n(r)的光學(xué)器件，介質(zhì)中任一點(diǎn)的折射率只是該點(diǎn)到某定點(diǎn)的距離的函數(shù)，介質(zhì)內(nèi)等折射率面是以此定點(diǎn)為球心的一簇同心球面。,,,1.球?qū)ΨQGRIN介質(zhì)中光線的平面性,,,2. 球?qū)ΨQGRIN介質(zhì)沿光線不變量,每條光線有,,,3. 球?qū)ΨQ

15、介質(zhì)中光線的彎曲方向,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 類型,第二章,,2.3 麥克斯韋魚眼微球表面漫射材料,麥克斯韋魚眼介質(zhì)是Mxawell在1854年提出的一種球?qū)ΨQGRIN介質(zhì)模型，其折射率分布函數(shù)為:,式中n。是球心處的折射率，r是任一點(diǎn)至球心的徑向距離，a是折射率分布常數(shù)。,麥克斯韋魚眼分布介質(zhì)中的光線軌跡表達(dá)式為,該式是一個(gè)圓方程，它表示Maxwell

16、魚眼介質(zhì)中的一般光線的軌跡都是一個(gè)圓。在特殊情況下(光線過球心時(shí))光線軌跡蛻化為通過介質(zhì)中心的直線。,麥克斯韋魚眼分布介質(zhì)中的光線軌跡,麥克斯韋魚眼微球?qū)Ρ砻媛洳牧闲阅艿母纳?圖中r0為微球半徑、h為光線的入射高度、β為出射光線與入射光線反方向的夾角,則入射光線的約化高度h/r0可簡(jiǎn)記為H,微球的漫射性能可用H-β關(guān)系圖來表示.,麥克斯韋魚眼微球?qū)Ρ砻媛洳牧闲阅艿母纳?,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC

17、 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 類型,第二章,,球 粒 徑 的測(cè)量,GRIN微球光學(xué)性能的測(cè)量,透過率的測(cè)量,表面張力的測(cè)量,不圓度的測(cè)量,折射率分布的測(cè)量,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 類型,第二章,透過率測(cè)量,采用氦—氖激光器作光源，將激光束打入聚合物微球，透過微球的激光經(jīng)過積分球檢測(cè)其光強(qiáng)，光強(qiáng)直接由與積分球相連的光電檢流計(jì)讀出。,透過率的大小即為透

18、過小球的激光光強(qiáng)與直接進(jìn)入積分球的激光光強(qiáng)的比值。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 類型,第二章,折射率分布的測(cè)量,剪切干涉法測(cè)量原理簡(jiǎn)介,實(shí)驗(yàn)裝置：干涉儀、顯微鏡,折射率計(jì)算理論分析,如圖4.4示，對(duì)于樣品剖面而言，折射率關(guān)于圓心對(duì)稱分布，即折射率n為半徑r的函數(shù)n=n(r)。固定像的圓心為O，移動(dòng)像的圓心為O‘，則A點(diǎn)的條紋偏移△y由P點(diǎn)的折射率差n(r)-n(

19、R)所決定其中r=0P，R=0’P，△y=AP則:,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的應(yīng)用,第三章,一種大數(shù)值孔徑的梯折透鏡已經(jīng)在西安光機(jī)所自聚焦透鏡生產(chǎn)線研制成功。這種透鏡是用一種摻雜有高極化離子的新型玻璃系統(tǒng)制成的。把玻璃制成棒，然后浸入到硝酸鹽溶液中進(jìn)行離子擴(kuò)散而產(chǎn)生近拋物線型的折射率分布。把這種棒截成適當(dāng)長(zhǎng)度就可成倒立、正立、放大、縮小的各種實(shí)象或虛象。這種梯折

20、透鏡的特點(diǎn)是數(shù)值孔徑大(NA=0.55～0.60)，成象清晰(分辨4001p/mm)，化學(xué)穩(wěn)定性高，經(jīng)久使用不發(fā)生裂痕或潮解。,3.1大數(shù)值孔徑的梯折透鏡,大數(shù)值孔徑透鏡主要用于半導(dǎo)體光源的準(zhǔn)直、聚焦、光源與光纖的耦合，光盤中的抬光透鏡，傳真機(jī)用排透鏡，內(nèi)窺鏡物鏡等一系列微光器件中。已經(jīng)用于半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直，反映良好，也已經(jīng)用作內(nèi)窺鏡物鏡，這種玻璃材料由于長(zhǎng)期在高溫熔鹽中懸吊不伸長(zhǎng)不變形，因而該生產(chǎn)線已經(jīng)制出了直徑大至10mm

21、的透鏡,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,如圖所示的激光聚束鏡,設(shè)計(jì)了三個(gè)單片透鏡:①使用普通玻璃,全球面。②用一片非球面(前表面),普通玻璃③使用軸向梯度折射率材料,全球面。,3.2　用軸向梯度折射材料設(shè)計(jì)激光束聚焦鏡頭,(c)的MTF接近衍射極限,像差最好,(b)次之, (a)是最差的,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC

22、 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的應(yīng)用,第三章,3.3梯度折射率聚合物微球光纖準(zhǔn)直器的研制,開發(fā)該產(chǎn)品的意義一、理論計(jì)算已體現(xiàn)出來新型準(zhǔn)直器可能具有更為優(yōu)越的準(zhǔn)直性能;二、光路短、尺寸小有利于器件和系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化和集成化;三、新型準(zhǔn)直器可能具有價(jià)格的優(yōu)勢(shì)。,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,3.5血管內(nèi)窺鏡,物

23、 鏡,傳 像 系 統(tǒng),工 作 直 徑,光 學(xué) 特 性,電視顯示及錄像,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,內(nèi)窺鏡物鏡通常由4-7片透鏡組成。在內(nèi)窺鏡外徑很細(xì)的情況下，例如小于2mm，其觀察系統(tǒng)外徑更小。在這種情況下，加工外徑為2mm左右的小透鏡難度大，成本高，又不易裝配。但是GRIN透鏡極易滿足上述要求。

24、這種透鏡系兩端為平面圓柱形，它的直徑小，通光效率高，容易加工，焦距短，其折射率沿徑向改變，且對(duì)于近軸光.透鏡徑向折射率分布近似為兩次拋物線分布,式中r為透鏡上一點(diǎn)到中心軸的距離;n0為軸上點(diǎn)折射率;n(r)為距離為r的點(diǎn)的折射率;g為第二階折射率系數(shù)。,z0為GRIN透鏡的長(zhǎng)度。當(dāng)zo=nπ+π/2(n=0，1，2，3…)，f’有最小值。所以，使用GRIN透鏡很容易獲得短焦距物鏡。,GRIN透鏡的數(shù)值孔徑,式中，△u為中心和邊緣折射率之

25、差。通常GRIN透鏡的數(shù)值孔徑為0.4左右。內(nèi)窺鏡的成像質(zhì)量主要取決于物鏡。對(duì)GRIN透鏡的像差分析可知，在小視場(chǎng)情況下，其像質(zhì)較好，這正適合于血管內(nèi)窺鏡觀察的要求,,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,位于物鏡之后，它可由成像纖維束或GRIN透鏡組成。對(duì)柔性的血管內(nèi)窺鏡，傳像系統(tǒng)由成像纖維束組成。纖維束直徑對(duì)內(nèi)窺鏡的分辨率有較大影響，目前單絲直徑可做到8u

26、m，lmm內(nèi)約有12000絲左右，其分辨率足以滿足血管內(nèi)窺鏡的要求。纖維束的長(zhǎng)度應(yīng)能滿足工作長(zhǎng)度大于1.3m的需要，使血管內(nèi)窺鏡能插人心導(dǎo)管，以診斷及治療心臟疾病。對(duì)其它部位的器官，也可按具體情況決定工作長(zhǎng)度。對(duì)針狀關(guān)節(jié)鏡，可使用單根GRIN透鏡棒，它類似于多個(gè)透鏡.物體經(jīng)物鏡成像后，其像在GRIN透鏡棒內(nèi)反復(fù)傳遞至目鏡的前焦面，人眼經(jīng)目鏡即可觀測(cè)該像。GRIN透鏡的長(zhǎng)度視內(nèi)窺鏡工作距離而定，對(duì)針狀內(nèi)窺鏡，其長(zhǎng)度大于200mm。,傳像

27、系統(tǒng),,Main Page,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,1)景深膝關(guān)節(jié)腔、心血管及動(dòng)靜脈的觀察空間不象某些器官(例如胃)大，因而這類內(nèi)窺鏡不需要大的景深，通常自物鏡端2--25mm已能滿足要求。對(duì)于短焦距物鏡，上述要求極易達(dá)到。,光學(xué)特性,2)分辨率血管內(nèi)窺鏡的分辨率由動(dòng)脈內(nèi)需分辨的最小物決定。例如，動(dòng)脈內(nèi)壁情況，有無堵塞物、手術(shù)及縫合情況等，完成心血管架橋手術(shù)的6

28、-0聚乙烯縫合線，其直徑為86.4um。為了分辨這類縫線，其分辨率只要12線/mm即可。實(shí)際上，由數(shù)值孔徑?jīng)Q定的理論分辨率達(dá)數(shù)百線/mm?？紤]到像差、制造和裝配誤差等因素，也可達(dá)40線/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際要求。,3)放大倍數(shù)在對(duì)整臺(tái)內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從兩個(gè)方面考慮;(1)放大率為1的觀察點(diǎn)應(yīng)在景深范圍內(nèi)，(2)總放大率由物鏡和目鏡的倍率所決定，在物方焦點(diǎn)附近的倍率應(yīng)大于大于，以滿足觀察需要。,,Main Page,TOPIC 1,TOPI

29、C 2,TOPIC 3,TOPIC 4,梯度折射率材料的 應(yīng)用,第三章,血管內(nèi)窺鏡工作直徑和能觀察到動(dòng)脈的百分比如圖2所示。,工作直徑,由曲線可以看出，當(dāng)工作直徑為1.smm時(shí)，約可觀測(cè)到80%的動(dòng)脈。但是，當(dāng)直徑>2.5mm時(shí)，只能觀測(cè)小于10%的大動(dòng)脈。工作直徑的選擇視要求而定，過小的工作直徑將對(duì)設(shè)計(jì)、工藝及制造帶來困難,,TOPIC 1,TOPIC 2,TOPIC 3,TOPIC 4,結(jié)