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聊一下解梯度折射率

倩倩 ? 來源:光電讀書 ? 作者:光電讀書 ? 2022-08-12 14:34 ? 次閱讀

(一)梯度折射率

有一期《光速的快與慢》聊過玻璃材料的折射率,不過那主要是面向均勻介質材料的。今天要聊一下解梯度折射率,我們先看幾個自然界的現象:

(一)高溫路面幻視(Hot road mirage):炎熱的天氣中道路上會看起來濕濕的,其實道路本身并不濕,而是空氣的折射率漸變,折射出來的天空,給人錯覺是地面濕了。天氣炎熱,接近道路的空氣被加熱,越往上(海拔),空氣溫度就降低了。空氣的溫度決定了空氣的密度,也就導致折射率的梯度變化。

這種折射率梯度會導致光線從天空折射(與道路的角度變化),從而將光線彎曲到觀看者的眼睛中,呈現在道路的表面之上。

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(二)眼睛的晶狀體:是一個很重要的自然的梯度折射率例子。眼睛的晶狀體的折射率中央層大約1.406,周邊密度低,逐漸下降到1.386。這有什么好處呢?我們的眼睛看近距離和遠距離都能較好的看清楚物體,較好的分辨率和較低的像差(這也是梯度透鏡重要應用之一)。

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(三)地球大氣層也存在漸變折射率,離地面越近密度越大,折射率相對高;反之,越高的位置大氣越稀薄,折射率也低一些。通過這樣的大氣,我們能看到一些有意思的現象:可以在太陽實際上位于地平線以下幾分鐘后看到它;可以觀察低于地平線的恒星;還可以觀察到衛星下降到地平線以下后發出的電磁信號

看到這幾個自然界的現象,應該大概就明白了漸變折射率是什么意思了。如果一個透光材料是均勻的,那折射率是固定值,比如:通訊光纖纖芯的折射率大約是1.45。但是,如果材料的密度是漸變的,可以呈現出梯度的折射率。比如多模光纖纖芯的折射率明顯高于周邊的折射率。

這有一個很棒的視頻,透光材料是由不同的密度的部分合成。可以看到透過其中的光線發生了彎折。

(二)梯度折射率透鏡

理解了漸變折射率材料,再來看自聚焦透鏡(Gradient index Lens, 簡稱Grin Lens或者G lens),稱為“自聚焦”是因為材料的折射率漸變,形成對光線的匯聚。

G lens:自聚焦透鏡(Gradient index Lens, 簡稱Grin Lens)

C lens:傳統透鏡(Convectional lens)

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光線在空氣中傳播遇到不同介質時,由于介質的折射率不同會改變其傳播方向。傳統的透鏡(C lens)由均勻材料制備而成,成像是通過控制透鏡表面的曲率(球面),利用產生的光程差使光線匯聚成一點。

自聚焦透鏡(G lens)同普通透鏡的區別:材料能夠使沿軸向傳輸(直線,非球面)的光產生折射,并使折射率的分布沿徑向逐漸減小,實現“梯度”折射率的設計,從而實現出射光線被平滑且連續的匯聚到一點。

梯度折射率光學器件涵蓋了由材料的折射率梯度產生的光學效果。這種逐漸變化的折射率可以實現平坦表面的透鏡,這點很重要,很多實際條件中球面透鏡并不合適使用。還有一個重要的作用,傳統球面透鏡存在像差,波長不能匯聚到同一點。折射率梯度透鏡聚焦多個波長到一點。下邊這個圖表達的很清晰。

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(三)梯度折射率透鏡的制造工藝

G Lens透鏡制作工藝比較多,這里介紹幾種:

(1)中子輻照:用中子轟擊富含硼的玻璃,以引起硼濃度和透鏡折射率的變化。

(2)化學氣相沉積,將具有變化折射率的不同玻璃逐漸沉積到表面上,形成累積的折射率變化。PCVD設備(等離子體化學氣相沉積)就非常合適做多模光纖的預制棒(之后有機會我們再交流光纖設備)。

(3)局部的紫外固化形成密度變化。把一個有機單體通過變化光強的紫外光照射,形成漸變的梯度折射率。

(4)離子交換,把玻璃體浸入鋰離子液體熔體中。通過擴散的結果,玻璃中的鈉離子與鋰離子部分交換,在材料的邊緣處肯定發生較大量的交換。內部的離子交換比較慢,所以,樣品可以獲得了梯度的材料結構和相應的折射率梯度。其實通過離子交換增強玻璃的強度也很常見(之前我們聊過通過快速冷卻或者減少瑕疵優化玻璃的強度,離子交換這是另外一種行之有效并且已經較為常用的方法)。

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(5)離子填充,一些特定玻璃材料的相分離會形成孔狀結構,可以使用某些鹽離子把這些孔填起來,這就提供了變化的梯度。

(6)激光直寫,預先設計一個漸變材料的結構,通過在激光下的曝光,逐點進行曝光。曝光的劑量通過調整掃描的速度、激光的功率等進行優化。整個過程需要對材料的性質(比如:單體至聚合物的轉化率)非常熟悉,用于確定曝光工藝。這個方法適用于微光學元件和多組件光學器件。

(四)梯度折射率透鏡的應用

自聚焦透鏡(G Lens)由于梯度折射率透鏡具有端面準直、耦合和成像特性,加上它圓柱狀小巧的外形特點,可以在多種不同的微型光學系統中使用更加方便。是光通訊無源器件中必不可少的基礎元器件。應用于要求聚焦和準直功能的各種場合,使用在光耦合器、準直器、光隔離器、光開關、激光器等方面。

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一般自聚焦透鏡應用過程中要配套套筒(毛細管),有時也需要切8度角。毛細管的精度要求比較高,需要很精準的匹配上透鏡并整體封裝。

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平坦表面的G lens簡化了透鏡安裝方式,在復印機、掃描儀這些狹小的空間又要在一起裝透鏡就顯得非常有用。G lens透鏡表面的平坦特點也更易于融合到光纖上,以產生準直效果的輸出。

G lens在成像應用中有不俗的表現,G lens透鏡主要用于減少像差。需要把折射率、厚度等信息進行過非常詳細的計算,設計出有效鏡片結構。G lens透鏡可以使用不同的材料,包括光學玻璃,塑料,鍺,硒化鋅和氯化鈉。

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某些光纖(漸變折射率光纖)的折射率分布在徑向上變化;這種設計極大地降低了多模光纖的模態色散。折射率的徑向變化允許光線在光纖內呈正弦高度分布,從而防止光線離開纖芯(leak)。這與依賴于全內反射的傳統光纖不同,漸變折射率光纖的所有模式都以相同的速度傳播(等效速度),從而為光纖提供了更高的時間帶寬。

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(五)小結

梯度折射率(Gradient index)和前一期交流的自聚焦現象(self-focusing)的效果都可以把光線匯聚,在某種程度上有點類似,但是原理截然不同,自聚焦現象是高非線性光學,需要較高的功率或者較短的脈沖激光才能顯現出效果,在均勻介質或者漸變介質都可以實現。漸變折射率現象顧名思義,需要在漸變折射率的材料中實現,已經是光學應用中很常規的器件。在集成光學領域如微型光學系統、醫用光學儀器、光學復印機、傳真機、掃描儀等設備有著廣泛的應用。

審核編輯 :李倩

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原文標題:梯度折射率 透鏡

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