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1、6/15/2012 安徽大学 梯度折射率光学材料及器件简介Gradient refractive index optical materials and devices profile姓 名： 学科专业： 完成时间： 2012-4- 16 指导老师： 2梯度折射率光学材料及器件介绍*（安徽大学*学院，安徽 合肥 230039）摘 要：回顾并展望梯度折射率材料的发展，介绍各种梯度折射率材料和其制作方法其中着重介绍高分子GRIN材料，GRIN聚合物微球是一类新型光学器件，在微小光学、集成光学、光通讯中有着很好的的应用前景，受到广泛地重视。关键词：梯度折射率材料；梯度光学；高分子GRIN材料；本文首
2、先介绍梯度光学的发展，梯度折射率材料Gradient refractive index optical materials and devices profile *(School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230039, China)Abstract: Review and prospects the development of gradient refractive index materials and Introduce various materials and make the gradient
3、refractive index method introduced GRIN of polymer materials. GRIN polymer microsphere is a new type optical device, in tiny optical, integrated optical, optical communication has very good application prospect, received widespread attentionKey words: Gradient refractive index materials; Gradient op
4、tical; Polymer GRIN materials; This paper first introduces the development of the optical gradient, gradient refractive index materials 第一章 引言梯度折射率材料的发展近年来，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川。梯度折射率光学研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象。发生于非
5、均匀介质中的光学现象在自然界是一种普遍存在的客观物理现象。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梯度折射率光学的起源可以上溯到十九世纪。在 1854 年, 英国著名物理学家麦克斯韦(Maxwell)
6、提出的 Maxwell 鱼眼介质模型, 折射率分布为: 其中n。a为常数，r为离球心的距离。这是梯度折射率光学介质最早的理论设想。这种模型实际上是一种球对称折射率分布介质, 其折射率分布以球心为对称中心, 这种梯度折射率球能把球内的点无像散地成像到共轴点, 被称为理想的“绝对光学仪器”。虽然这种模型实际上无法制造,但其具有重要的理论意义。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2, 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。虽然 Wood 透镜离实用化还有较大差距,但这是首次制作出了实实
7、在在的梯度折射率材料, 而不再是设想, 它向人们展示了梯度折射率特殊的光学性能, 给人们留下了深刻的印象, 引发了许多有益的理论和实验研究。1944 年, 鲁尼博格(R.K.Luneburg) 提出了一种能使无穷远物点锐成像的球透镜模型3,与Maxwell 鱼眼介质模型一样, Luneburg 透镜的折射率分布是球对称的。折射率分布为: 式中，Rp为透镜半径。由于这种透镜表面的折射率必须与周围介质的折射率相同，制造非常困难，其应用也受到了限制。 1954年A.Fletcher等人提出了一种能理想成象的折射率分布: 式中，n。为光轴处的折射率，A为分布系数，:为离开光轴的径向距离。子午光线在这种
8、介质中的传播轨迹为正弦曲线如果忽略式(3)中产以上的高次项，可近似为: 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。60 年代出现的流动气体透镜 引起了许多学者的兴趣4。对这径向梯度折射率分布的气体圆柱形透镜的研究内容主要包括折射率分布形式及光学和成象性能、像差和模结构分析等。这一时期的研究为梯度折射率光学的形成和发展奠定了重要的理论基础。上述的研究工作大部分仅停留在理论模型的分析上, 它们在梯度折射率光学发展史上起着重要的作用, 有的至今还在微小光学和集成光学中被采用。由于制作工艺的限制, 梯度折射率光学在早期的
9、发展非常缓慢。3 梯度折射率光学材料的近期发展1964 年, 日本的西泽(H.Nishizawa)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, 日本板玻璃公司的北野一郎等人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(商品名为 Selfoc )。1973 年, 奥特萨卡(Yohtsuka)又采用两步扩散- 共聚工艺制作了塑料梯度折射率透镜。梯度折射率透镜的研制成功, 标志着梯度折射率光学进入新的发展阶段。在这之后随着非均匀介质中光传播规律、光线追迹、成像及像差的研究、非均匀
10、折射率材料及透镜的制作工艺探讨、检测技术及器件应用研究的迅猛发展, 梯度折射率光学真正发展成为一门新的学科。1979 年首次梯度折射率(GRIN)光学会议在美国罗彻斯特召开,至今已召开了十余次,使得梯度折射率光学在理论研究、系统设计、材料制造以及技术应用方面得到迅速发展。至今,已发展起许多梯度折射率材料其它的制作方法, 如:中子照射法、化学气相沉积法、塑料热共聚法、分子填充法、晶体生长法、电子注入书写法、质子交换法、熔胶玻璃法、扩散共聚法、离子填充法、结晶提拉法等等。80 年代是梯度折射率光学理论蓬勃发展的时期。人们不仅发展了光线转换的光线追迹方法, 而且还提出了光波面截距法及平行光轴光线追迹
11、法5。Arai、Rinmer 和 Sharma 等人还分别提出了不同的计算光程的方法。Rogers 和 Harrigan等人提出的 Y- Y 对角线理论和方法, 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。至今,GRIN 光学理论仍在不断发展之中, 它不仅为GRIN 材料的制作和加工提供了折射率分布模型, 而且也是光学设计和应用的理论基础。在我国, 中国科学院西安光学精密机械研究所从 1972 年开始在我国著名光学专家龚祖同院士的指导下进行自聚焦透镜的研究。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 年的研究结果表明他们研究的样品
12、的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, 利用离子交换法制作自聚焦透镜的技术已经相当完善了, 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6, 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。理论方面, 刘德森等编著的纤维光学、变折射率介质的物理基础以及西安邮电学院乔亚天 1991 年出版的梯度折射率光学等著作充分体现了梯度折射率光学在我国的蓬勃发展。4 应用及前景目前梯度折射率光学将折射率分布的梯度形式主要分为: 球对称分
13、布、径向分布和轴向分布三大类型, 它们的折射率分别是到空间某定点、定直线( 轴) 和定平面的距离的函数, 等折射率面分别为球面、圆柱面和平面。其中第一类轴向折射率分布介质主要用作成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按径向折射率分布的粗而短的自聚焦透镜有导光、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准直器、光回旋器以及光隔绝器、密集波分复用器(DWDM)等微光学被动组件中。第三类球向变折射率透镜具有几何形状高度对称:外形易
14、加工T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。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
15、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。以上事实说明, 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
