Градиент-индекс ( GRIN ) оптика является отделением оптики , охватывающей оптических эффекты , полученных с помощью градиента от показателя преломления материала. Такое постепенное изменение можно использовать для изготовления линз с плоской поверхностью или линз, не имеющих аберраций, типичных для традиционных сферических линз. Линзы с градиентным показателем преломления могут иметь сферический, осевой или радиальный градиент преломления.
В природе
Линзы в глаз является наиболее очевидным примером ГРАДИЕНТНОГО оптики в природе. В человеческом глазе , то показатель преломление линзы изменяется от приблизительно 1,406 в центральных слоях вплоть до 1,386 в менее плотных слоях линзы. [1] Это позволяет глазу получать изображение с хорошим разрешением и низкой аберрацией как на коротких, так и на больших расстояниях. [2]
Другой пример градиентной оптики в природе - это обычный мираж лужи с водой, появляющийся на дороге в жаркий день. Бассейн на самом деле является изображением неба, по-видимому, расположенного на дороге, поскольку световые лучи преломляются (изгибаются) от их обычного прямого пути. Это связано с различием показателя преломления между горячим, менее плотным воздухом у поверхности дороги и более плотным холодным воздухом над ней. Изменение температуры (и, следовательно, плотности) воздуха вызывает градиент его показателя преломления, заставляя его увеличиваться с высотой. [3] Этот градиент показателя преломления вызывает преломление световых лучей (под небольшим углом к дороге) от неба, изгибая их в глазах зрителя, причем их видимым местоположением является поверхность дороги.
Атмосфера Земли действует как линза GRIN, позволяя наблюдателям видеть солнце в течение нескольких минут после того, как оно фактически находится за горизонтом, и наблюдатели также могут видеть звезды, которые находятся ниже горизонта. [3] Этот эффект также позволяет наблюдать электромагнитные сигналы со спутников после того, как они спустились за горизонт, как при радиозатменных измерениях.
Приложения
Способность линз GRIN иметь плоские поверхности упрощает установку линз, что делает их полезными там, где необходимо установить вместе множество очень маленьких линз, например, в копировальных аппаратах и сканерах . Плоская поверхность также позволяет легко соединить линзу GRIN с оптическим волокном , чтобы получить коллимированный выходной сигнал.
При визуализации линзы GRIN в основном используются для уменьшения аберраций. Конструкция таких линз включает в себя подробный расчет аберраций, а также эффективное производство линз. Для линз GRIN использовался ряд различных материалов, включая оптические очки, пластмассы, германий , селенид цинка и хлорид натрия .
Некоторые оптические волокна (волокна с градиентным показателем преломления ) изготавливаются с радиально изменяющимся профилем показателя преломления; эта конструкция сильно уменьшает модальную дисперсию в виде оптического волокна многорежимного . Радиальное изменение показателя преломления обеспечивает синусоидальное распределение лучей по высоте внутри волокна, предотвращая выход лучей из сердцевины . Это отличается от традиционных оптических волокон, основанных на полном внутреннем отражении , тем, что все моды волокон GRIN распространяются с одинаковой скоростью, что обеспечивает более широкую временную полосу пропускания для волокна. [4]
Противоотражающие покрытия обычно эффективны для узких диапазонов частот или углов падения. Материалы с градиентным индексом менее ограничены. [5]
Производство
Линзы GRIN изготавливаются по нескольким технологиям:
- Нейтронный облучение - бор -богатой стекло бомбардировке нейтронами , чтобы вызвать изменение концентрации бора, и , следовательно , показатель преломления линзы. [6]
- Химическое осаждение из паровой фазы - включает осаждение различного стекла с различными показателями преломления на поверхность для получения кумулятивного изменения преломления. [7]
- Частичная полимеризация - органический мономер частично полимеризуется с использованием ультрафиолетового света с различной интенсивностью для получения градиента преломления. [8]
- Ионный обмен - стекло погружается в жидкий расплав с ионами лития . В результате диффузии , натриевые ионы в стекле, частично обмениваются с единицами литии, с большим количеством обмена , происходящим на крае. Таким образом, образец получает градиентную структуру материала и соответствующий градиент показателя преломления. [9]
- Ионная набивка - разделение фаз в определенном стекле вызывает образование пор, которые позже можно заполнить с помощью различных солей или концентраций солей для получения переменного градиента. [10]
- Прямая лазерная запись - при поэтапном экспонировании заранее спроектированной структуры доза облучения варьируется (скорость сканирования, мощность лазера и т. Д.). Это соответствует пространственно регулируемой степени превращения мономера в полимер, приводящей к другому показателю преломления. Метод применим к микрооптическим элементам произвольной формы и многокомпонентной оптике. [11]
История
В 1854 году Дж. Максвелл предложил линзу, распределение показателя преломления которой позволило бы получить четкое изображение каждой области пространства. Известная как линза «рыбий глаз» Максвелла , она включает в себя функцию сферического показателя преломления и, как ожидается, также будет иметь сферическую форму. [12] (Максвелл, 1854 г.). Этот объектив, однако, непрактичен в изготовлении и малопригоден, так как только точки на поверхности и внутри линзы имеют четкое изображение, а протяженные объекты страдают от сильных аберраций. В 1905 году RW Wood использовал технику погружения, создав желатиновый цилиндр с градиентом показателя преломления, который варьировался симметрично с радиальным расстоянием от оси. Позже было показано, что дискообразные срезы цилиндра имеют плоские грани с радиальным распределением индекса. Он показал, что даже несмотря на то, что грани линзы были плоскими, они действовали как собирающая и расходящаяся линза в зависимости от того, был ли индекс уменьшающимся или увеличивающимся по отношению к радиальному расстоянию. [13] В 1964 году была опубликована посмертная книга Р.К. Люнебурга, в которой он описал линзу, которая фокусирует падающие параллельные лучи света в точку на противоположной поверхности линзы. [14] Это также ограничивает возможности применения линзы, поскольку ее трудно использовать для фокусировки видимого света; тем не менее, он имеет некоторую полезность в микроволновых приложениях.
Теория
Неоднородная линза с градиентным показателем преломления обладает показателем преломления, изменение которого следует функции координат интересующей области в среде. Согласно принципу Ферма , интеграл светового пути ( L ), взятый вдоль луча света, соединяющего любые две точки среды , является стационарным относительно его значения для любой соседней кривой, соединяющей две точки. Интеграл светового пути определяется уравнением
- , где n - показатель преломления, S - длина дуги кривой. Если используются декартовы координаты , это уравнение модифицируется, чтобы включить изменение длины дуги для сферического градиента для каждого физического измерения:
где штрих соответствует d / d s. [15] Интеграл светового пути может качественно характеризовать путь света через линзу, так что линза может быть легко воспроизведена в будущем.
Градиент показателя преломления линз GRIN можно математически смоделировать в соответствии с используемым методом производства. Например, GRIN линзы сделаны из радиального градиента индекса материала, такого как SELFOC микролинз , [16] имеют показатель преломления , который изменяется в соответствии с:
- , где n r - показатель преломления на расстоянии r от оптической оси ; n o - расчетный индекс на оптической оси, а A - положительная постоянная.
Рекомендации
- ^ Hecht, Евгений; Zając, Альфред (1987). Оптика (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли. п. 178. ISBN 978-0201116090. OCLC 13761389 .
- ^ Shirk JS, Сэндрок M, Скрибнер D, E Fleet, Stroman R, E Baer, Хилтнер A. (2006) NRL Обзор С. 53-61
- ^ a b Цибуля, AB (2003). «Линзы Gradient Index (GRIN)». В Рональде Дж. Дриггере. Энциклопедия оптической техники , том 1. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Марсель Деккер. 675-683. ISBN 9780824742508 .
- Перейти ↑ Moore, DT (1980). Прикладная оптика . 19, 1035–1038
- ^ Чжан, Цзюнь-Чао; Сюн, Ли-Минь; Фанг, Мин; Он, Хун-Бо (2013). «Широкоугольные и широкополосные просветляющие покрытия с градиентным показателем преломления» (PDF) . Китайская Физика B . 22 (4): 044201. Bibcode : 2013ChPhB..22d4201Z . DOI : 10.1088 / 1674-1056 / 22/4/044201 . Дата обращения 13 мая 2016 .
- Перейти ↑ Sinai P, (1970). Прикладная оптика . 10, 99-104
- ^ Кек ДБ и Ольшанский Р. "Оптический волновод с оптимальным индексным градиентом", патент США 3,904,268 (9 сентября 1975 г.).
- ^ Мур Р.С., «Пластиковый оптический элемент с градиентом показателя преломления», патент США 3718383 (февраль 1973 г.).
- ^ Hensler JR, «Метод получения градиента показателя преломления в стекле», патент США 3873408 (25 марта 1975 г.).
- ^ Мор Р.К., Уайлдер Дж. А., Маседо П. Б. и Гупта П. К., в Дайджесте тематического совещания по системам построения оптических изображений с градиентным индексом, Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия (1979), статья WAL.
- ^ Жукаускас, Альбертас; Матулайтене, Иева; Пайпулас, Домас; Ниаура, Гединимас; Малинаускас, Мангирдас; Гадонас, Роальдас (2015). «Настройка показателя преломления в трехмерной литографии с прямой лазерной записью: в сторону микрооптики GRIN». Обзоры лазеров и фотоники . 9 (6): 1863–8899. Bibcode : 2015LPRv .... 9..706Z . DOI : 10.1002 / lpor.201500170 .
- ^ Максвелл, JC (1854). Cambridge and Dublin Math. J. 8, 188
- ^ Вуд, RW (1905). Физическая оптика , стр. 71. Макмиллан, Нью-Йорк.
- ↑ Люнебург, РК (1964). Математическая теория оптики . Univ. Калифорнийской прессы, Беркли.
- ^ Марчленд, Эрих В. (1978). Оптика с градиентным индексом . Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0124707504. OCLC 4497777 .
- ^ Флорес-Ариас, MT; Bao, C .; Castelo, A .; Перес, М.В.; Гомес-Рейно, К. (2006-10-15). «Кроссоверы в планарной оптике с градиентным показателем преломления». Оптика Коммуникации . 266 (2): 490–494. Bibcode : 2006OptCo.266..490F . DOI : 10.1016 / j.optcom.2006.05.049 . ISSN 0030-4018 .
- Маршан, EW (1976). J. Opt. Soc. Амер. 66, 1326.