梯度折射率光学材料及器件的制作方法综述.docVIP

［梯度折射率光学材料及器件的制作方法综述］ 2018年9月29日 梯度折射率光学材料及器件的制作方法综述 摘要:梯度折射率材料是一种崭新的光学材料，在光学成像系统和光纤通讯中有广泛的 应用前景。本文主要讲述了一些光学折射率材料的制作方法，重点讲述了用离子交换法制作 光通信用自聚焦透镜O 关键词:光通信;梯度折射率；自聚焦透镜;离子交换 Preparation of The Gradient Refractive Index optical Materials Abstract The gradient refractive index materials are completely new optical materials. They can be used in optical fiber communications and optical imaging systems , In this paper , the manufactute principle and method of gradient refractive index materials are presented,especially for ion exchanging technique of an self-focusing lens for optical communication Keywords optical communication; gradient index; self-focusing lens; ion-exchanging 弓I 言 羸度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构在材料内部按一定规 律连续变化，从而使折射率也相应地呈连续变化。它也可简称为梯折材料。用这 种材料制成的光学零件与通常的光学零件相比，除通过曲率变化改变光程外，还 可通过内部折射率的变化达到改变光程的目的，为光学设计者提供了一个新的自 由度。因此，在光学仪器中，采用梯度折射率材料制成的零件，可以大大地简化 光学系统，消除相差，减轻重量，有利于社会和经济效益的提高。 1 梯度折射材料的折射率梯度类型 径向梯度折射材料：径向梯度折射材料是圆棒状的。它的折射率沿乖直于光 轴的半径从中心到边缘连续变化，等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面，如图 一所示。沿垂肓于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端加工成平面，就制 成了一个梯度折射率透镜。光线在镜内以正弦曲线连续传播，如果折射率从轴心 到边缘连续降低，就是自聚焦透镜，相当于普通凸透镜。如果折射率从轴心到边 缘连续增加，就是自发散射透镜相当于凹透镜。理想径向梯度折射率的分布： N r = Nosec h (gr) 式中g—常数； No—棒光轴处的折射率；r——离开光轴的距离。 轴向梯度折射材料：轴向梯度折射材料的折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度 变化，等折射率面是垂直于光轴的平行平面系,如图二所示。这些梯度在代替非 球面方面特别有用。 球向梯度折射材料：球向梯度折射材料的折射率对称于球内某点而分布，这 个对称中心可以是球心，也可不是。它的等折射率而是同心球而。等折射率而是 中心点对称的球而系，如图三所示。 层向梯度折射材料：折射率仅沿X轴（或y轴）方向变化，如图四所示。这 种介质在具有梯度的方向上对光线有会聚（发散）作用。 图一：径向梯度 图一：径向梯度 （一）无机梯度折射率材料的主要制备方法 1 ?离子交换法 这也许是最广泛使用的技术，因为从设备和控制观点來说它最简单。在这样 的系统里，盐类材料（如嗅化键）溶液池中的离子扩散进玻璃，并和玻璃中的 离子,一般是钠离子，进行交换。于是，发生一对一的交换，从而产生了组成成分 的梯度。常用的盐类有硼酸盐、硼硅酸盐、锌硅酸盐、钠硼硅盐和银盐等。玻璃 也可以用不同的种类。还可以外加电场以促进极性离子的扩散交换速率。从可能 制作的折射率分布观点來看，这种工艺的适用范围较为有限。折射率分布限制于 高斯型，洛仑兹型和线性形式。当然，这些型式之间的中何形状也是可能产生 的。这里，此法的根本缺点是扩散深度小，不能制出大尺寸的梯度材料，其应用 限于微型光学系统。 化学气相沉积法（CVD） 这种技术己广泛地用于制造通信用的梯度折射率光纤中。在该种特殊的结构 中,光纤的尺寸是100 Um的量级，为0. Olo方法的实质是把给定折射率的 玻璃材料，沉积在玻璃管的内壁和外壁，并接着沉积上化学成分稍微不同的下 一层。每一层都产生一个折射率阶跃。最初，玻璃制成约2cm粗的预制捧，然 后拉成光纤。当拉成光纤时，每层的厚度就变得小于波长，于是梯度就显得是连 续的了，对于大尺寸的透镜，这种技术是有严重局限性的。 分子（离子）填充法 选择加热后可分成两相的玻璃，其今一相可用酸溶出，从而生成多孔性