梯度折射率光學材料與器件(編輯修改稿)
2025-08-31 01:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng), 光纖傳感器、成像傳感器、機器人等傳感技術(shù)以及光盤讀頭、復印機、傳真機、光計算等領(lǐng)域中得到廣泛的應用。國際學術(shù)界也給予梯度折射率光學高度重視, 美國《Applied Optics》雜志已將其列為一個欄目, 定期發(fā)表有關(guān)論文、交流信息, 有力地推動了它的發(fā)展?？梢灶A見,隨著科學的發(fā)展,梯度折射率光學必將扮演越來越重要的角色。第二章 梯度折射率材料的類型梯折材料按其折射率的分布特性可分為三種基本類型即軸向梯折材料、徑向(或園柱形)梯折材料、球面梯折材料。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。如果設此方向為光軸z方向,則其折射率滿足其中,n0(λ), n1(λ), n2(λ),…是與波長有關(guān)的函數(shù)。實際上目前使用較多的是線性函數(shù)。圖1玻璃圖中的A、B線代表軸向梯度折射率材料折射率和色散的空間變化；從本質(zhì)上說，軸向梯度材料使球形表面透鏡具有非球面特性，并使折射率和色散梯度具有可控性。因此，軸向梯度折射率的應用范圍是從用于激光成像(要消除球差)的簡單單透鏡到總體性能改善的多元透鏡系統(tǒng)。軸向梯度折射率技術(shù)目前僅限于硅酸鹽材料，數(shù)量較少。軸向梯度折射率材料的制造是通過選定合理厚度的玻璃薄片,把它們堆在一起,通過熔融/擴散過程,把不同折射率的堆片熔為一體,成為漸變折射率的材料。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應的無數(shù)圓柱面。折射率函數(shù)可寫作,n=n(r)該分布也被稱為旋轉(zhuǎn)對稱分布，具有這種分布的介質(zhì)，圓柱端面垂直于軸者稱為Wood透鏡。細而長的Wood透鏡適用于光通訊等領(lǐng)域。三、球面梯折材料其折射率分布有一對稱點，等折射率面是無數(shù)以對稱點為中心的球面。梯度的對稱中心與表面的曲率中心不一定需要對稱梯度分布又有以下幾種方式）1）Maxwell魚睛透鏡Mxawell魚眼介質(zhì)模型是英國物理學家Mxawell在1854年提出的一種球?qū)ΨQGRNI介質(zhì)模型，其折射率分布為: 式中n(0)是球梯度中心O的折射率，a是一個分布常數(shù)。是介質(zhì)中某一點到球梯度中心O的距離。在Mxawell魚眼介質(zhì)內(nèi)無論物點向什么方向發(fā)出的光，最終一定會匯聚到與其對應的像點。Mxawell魚眼介質(zhì)是能無像差成像的理想光學模型，被人們稱之為“絕對光學儀器”。 2）、經(jīng)典了Lunerberg透鏡分布1944年，P..KLunehterg提出了一種折射率函數(shù)為的發(fā)布，由此函數(shù)可知，具有該分布的介質(zhì)的中心折射率為，折射率隨半徑:的增加而減小。當r=a時。一束平行光束入射到這種梯度介質(zhì)球都可以銳成像，即所有光束都聚焦于介質(zhì)表面上一點。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化。即如果我們用C，表示一種物質(zhì)的濃度，C:為另一種物質(zhì)的濃度，那么在任一區(qū)域就有CI十C=1的關(guān)系。如氯化鈉一氯化銀、硅一鍺以及硫化鋅一硒化鋅等，它們在紅外區(qū)域具有較寬的透過波段，是紅外儀器和器件的良好材料。二、玻璃。這是短程無序，遠程有序的一類固體。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、鈉一鈣磷酸鹽玻璃、硼一鋁硅酸鹽玻璃和銳一鉛硅酸鹽玻璃等都是一類具有應用前景的梯折材料。三、有機高分子化合物。它們是由有機化合物單體經(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。如甲基丙烯酸甲酷與苯乙烯的共聚物、丙烯睛與苯乙烯的共聚物以及甲基丙烯酸甲醋擴散進入部分聚合的異酞酸乙二烯中所形成的梯折有機高分子材料，所得的材料的幾何尺寸遠較晶體和玻璃大，具有成型和加工簡便的優(yōu)點，但在機械性質(zhì)和熱穩(wěn)定性方面較晶體和玻璃差。梯度折射率的產(chǎn)生方法某一種物質(zhì)的折射率是由該物質(zhì)組成成分的分子體積和分子折射度兩方面的影響決定的。而分子體積與組成分子的微粒的半徑R有關(guān)。分子折射度與組成微粒的電子極化率p有關(guān)。因此，我們可以把某一組分對該物質(zhì)的折射率貢獻大小用比值p/R3來衡量。如果改變物質(zhì)中某一微粒成分的濃度，或摻入另一種物質(zhì)的微粒，而這兩種微粒的p值有較大的差別，那么我們便可通過控制摻入微粒濃度的變化來達到折射率變化的日的。表1列出了一些離子的離子半徑和電子極化率。常用的產(chǎn)生梯度折射率的方法有下面兒種。這是諸如用氯化鈉一氯化銀兩種組分制成的一種混合晶體。與一般混合晶體要求雜質(zhì)在基質(zhì)品體中分布均勻不同，梯折晶體要求氯化銀在氯化鈉基質(zhì)晶體中的濃度呈梯度分布。為此，除要考慮與基質(zhì)晶體相匹配的雜質(zhì)離子的離子半徑、化合價和分配系數(shù)外，雜質(zhì)的摩爾分數(shù)濃度和電子極化率也是至關(guān)重要的。前者關(guān)系到是否能形成兩種物質(zhì)的濃度的梯度分布。后者關(guān)系到是否能產(chǎn)生必要大小的折射率梯度。一般來說，梯折晶體中的雜質(zhì)濃度要比通常摻雜晶體中的雜質(zhì)濃度高些，尤其在熔體中只有足夠高的雜質(zhì)濃度才能迫使雜質(zhì)摻入到基質(zhì)晶體中去。雜質(zhì)離子的電子極化率與基質(zhì)離子的電子極化率要有一定的差別才能形成有一定應用價值的梯度折射率。另外爐體的溫度梯度、熔體的攪拌、生長的溫度和速度等是不可忽視的重要參數(shù)。要盡力避免由晶體畸變所產(chǎn)生的光學不均勻性。用柑渦下降法或晶種提拉法可以生長出軸向的梯折晶體材料，用徐冷法或熔劑法可以生長出徑向或軸向的梯折晶體材料。它是將一種具有特定組分的玻璃浸在某種鹽浴中，在給定的條件下使來自鹽浴的離子擴散進入玻璃，與玻璃中的離子進行交換。被交換的離子反擴散返回鹽浴，形成交換離子與被交換離子濃度由表及里的正反梯度變化，從而形成折射率的梯度變化。離子交換的溫度、時間、鹽浴的種類、玻璃的組
環(huán)評公示相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1