Grin-Lens(渐变折射率透镜)资料
zemax自聚焦透镜设计
目录摘要 (I)Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1)1 自聚焦透镜简介 (2)1.1自聚焦透镜 (2)1.2 自聚焦透镜的特点 (2)1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3)2 自聚焦透镜的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6)3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8)3.1 确定透镜模型 (8)3.2 设置波长 (8)3.3数值孔径设定 (9)3.4 自聚焦透镜光路 (9)4 优化参数 (10)4.1光线相差分析 (10)4.2聚焦光斑分析 (12)4.3 3D模型 (12)结束语 (13)致 (14)参考文献 (15)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。
关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
高斯光束与准直器简介
Z A = 2πp −3 8.14 ×10 −3 N 0 = 1.5868 + λ2 5.364 ×10 −3 2.626 ×10 − 4 A = 0.3238 + + 2 λ λ4
• 其中 为透镜周期，透射端与反射端的G-lens周期 分别为 其中p为透镜周期，透射端与反射端的 周期p分别为 为透镜周期 周期 0.23与0.25 与
角度失配 径向失配 轴向失配 模场失配
光无源器件中高斯光束耦合损耗分析
LOSS = −10 logη
按照光无源器件的各项公差的影响来看： • 束腰大小在10um左右的高斯光束(光纤出光) – 轴向失配>径向失配>角度失配 • 束腰大小在300um左右的高斯光束(准直器出 光) – 角度失配>径向失配>轴向失配
称矩阵M为介质的传输矩阵。
傍轴子午光学系统的传输矩阵
• 若光线连续通过传输矩阵为M1,M2…Mn的光学 系统 rn r0 = Mn …… M 2 ⋅ M 1⋅ θ θ n 0
即整个光学系统的传输矩阵M=Mn×…M2×M1 已知入射光线的离轴距离和入射角，通过传输矩 阵追踪光线传输性质的模拟方法，称为光路追迹。
• C-lens
– 聚焦方式：球面 – 长度和后截距互相制约 – 一致性差，价格低，替代0.23 p G-lens
Grin lens 光学特性
Ar 2 N (r ) = N 0 (1 − ) 2
C-lens准直器 lens准直器
• C-Lens的参数（SF11） Lens的参数（SF11） 的参数
AB 其中 为前面提到的光学系统对伴轴光线的传输矩阵。 C D
准直器的q 准直器的q传输图示
Gradient Index (GRIN) Lenses
Phone: +49 (0) 3641 / 2276-0 w w w . g r i n t e c h . d e email: info@grintech.de Fax: +49 (0) 3641 / 2276-11Gradient Index (GRIN) Lenses• GRIN rod lenses for fiber coupling •GRIN cylindrical lenses for beam shaping of high power laser diode bars and high brightness diodes • easy to assemble due to the plane surfaces • good off- and on-axis performance • AR-coating on both sides possible •non-toxic silver and lithium ion exchangeGradient Index OpticsGRIN lenses represent an interesting alternative to conventional spherical lenses since the lens performance depends on a continuous change of the refractive index within the lens material. Instead of curved shaped surfaces only plane optical surfaces are used. The light rays are continuously bent within the lens until finally they are focussed on a spot.Fig. 1 GRIN lens Conventional spherical lensThe GRIN lenses are produced by silver ion exchange in a special glass. The composition of the glass is protected by a patent. In contrast to the conventionally used technology this is a non-toxic process and bears no health and environmental risks for both the producer as well as the user of these products. This process is performed in rods and slabs resulting in rod lenses and cylindrical lenses with plane optical surfaces. A radial refractive index profile of nearly parabolic shape)sech()(0gr n r n = realizes a continuos cosine ray trace within a GRIN focussing lens, the period length z 1-p of the lens is given byg z p π21=−and does not depend on the entrance height and the entrance angle of the light ray (see Fig 2). n 0 represents the refractive index at the center of the profile, r the radius and g the gradient constant.Fig. 2. Ray traces within a GRIN focussing lens of different pitch lengths The geometrical length of the particular lens z l is calculated from the characteristic pitch of the lens P, P gz l π2=.Various imaging designs can be realized usingthe same index profile by choosing different lens lengths: A quarter-pitch lens images a point source on the entrance surface of the lens into infinity orPhone: +49 (0) 3641 / 2276-0 w w w . g r i n t e c h . d e email: info@grintech.deFax: +49 (0) 3641 / 2276-11collimates it, respectively. This configuration is usually applied to the collimation of single-mode and multi-mode optical fibers and laser diodes. For high-power laser diodes, GRIN cylindrical lenses are used for the Fast-Axis-Collimation.A 0.23-pitch lens images a point source placed in the working distance s into infinity or collimates it (see Fig. 3).Fig. 3. GRIN rod lensThe geometrical gradient constant g and thelens length z l determines the focal length f and the working distance s of the lens,)tan(1,)sin(100l l gz g n s gz g n f ==Various imaging problems can be solved by choosing different lens lengths z l (see Fig.4).Fig. 4. Image formation by a GRIN focusing lensA half-pitch lens images an object on the entrance surface inverted to the exit surface of the lens.A 1- (2, 3, or more, respectively)-pitch lens reproduces an object placed in the entrance surface of the lens identically into the exit surface.The maximum acceptance angle of a GRIN collimating lens ϑ is determined by the numerical aperture NA. As in fiber optics, it is derived from the maximum index change of the GRIN profile,)2/(sech 1)sin(20220gd n n n NA R −=−==ϑ.n R is the refractive index at the margin of the profile, and d is the lens diameter or the lens thickness, respectively.GRIN lenses with a high numerical aperture (NA ≈ 0.5) are produced by silver ion exchange in a special glass which avoids any coloration in the visible spectral range. The absorption edge of the silver containing glass occurs at a wavelength of λ0.5 = 370 nm. GRIN lenses with low numerical aperture (NA ≤ 0.2) are fabricated via lithium ion exchange. The absorption edge of the glass being used is at a wavelength of λ0.5 = 235 nm.。
变折射率抛物线型微球透镜的光学特性研究
安徽大学硕士学位论文变折射率抛物线型微球透镜的光学特性研究The Optical Characteristic Research of GRIN Parabola Micro-sphere lens姓名任云云学科专业光学研究方向梯度折射率光学指导教师易佑民教授完成时间2008年5月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：任云云签字日期：2008年5月10日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：任云云导师签名：易佑民签字日期：2008年5月10日签字日期：2008年 5 月10 日学位论文作者毕业去向：上海市亭林中学工作单位：安徽大学物理与材料科学学院电话：137****1810通讯地址：安徽大学物理与材料科学学院邮编：230039安徽大学硕士学位论文 摘 要摘 要变折射率（Gradient renfractive index,GRIN ）微球透镜是一类具有极简单几何形状的新型光学器件，主要依靠介质内特殊的非均匀折射率分布实现其各种光学功能。
因其光学性能优越，且具有体积小、光路短、重量轻、易于批量生产、便于集成等优点，在微小光学、集成光学、光通讯中有着诱人的应用前景，受到广泛的重视。
本论文从变折射率介质光学的基本理论出发对均匀球透镜和各种变折射率抛物线型微球透镜的光学性能进行了系统的理论分析。
Grin-Lens(渐变折射率透镜)
直角坐标系中的射线方程
光线的传播轨迹
透镜传输矩阵
q ds dy
dz dx
近轴子午光线近似
t n(r) sin q n tanq n0 tanq
透镜传输矩阵
r0 Cl r t S t ；S A 0 l Al n0 A sin( A L) Bl Cl cos( A L) Dl sin( A L) / n0 A Bl Cl Al Dl 1 Dl Bl
Spherical lens & GRIN lens
1、均匀折射率分布材料 2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像 3、通过非球面来克服像差，
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像 3、通过优化折射率分布，
提高成像质量
提成像质量
自聚焦透镜的基本特征
• 平方率折射率分布 • 光线轨迹为cos或sin曲线 • 从一点发出的不同角度的光线将会聚于 另一点，形成“自聚焦” • 具有独到特点：
Graded Index (GRIN) Lenses
What is GRIN lenses
• GRIN lenses are short cylindrical lengths of glass with a graded refractive index: the index decreases with the square of the distance from the axis of the lens. • GRIN lenses are very similar to graded index fibre and are sometimes called SELFOC lenses.
基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计
基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计近年来，随着光学科技的飞速发展，已经成为研究领域中发挥重要作用的核心技术之一。
关节镜光学系统（JOS）是这一发展动态的重要组成部分，应用广泛，技术性能得到改善。
由于关节镜系统的复杂性，梯度折射率（GRIN）透镜（GRIN lens）一直被认为是系统设计的有效方式，因为它具有可编程的几何形状，允许设计者实现两个甚至多个元素的系统。
本文介绍了基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计的原理，利用MATLAB软件来模拟关节镜系统，并给出有关实验结果。
首先，通过详细介绍梯度折射率透镜的结构和特性，以及它们在关节镜系统中的应用，来分析关节镜的设计原理。
其次，以关节镜系统为例，利用MATLAB软件，使用光学设计软件进行关节镜设计，并使用MATLAB 脚本来绘制出关节镜光学系统的光路，得出系统的仿真结果。
最后，采用实验方法进行实验检验，验证设计结果的有效性。
研究表明，基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计是一种高效、稳定的方法。
从理论研究和实验结果来看，基于梯度折射率透镜的关节镜系统能够较好的满足需求，可实现更小的光学系统体积，具有高的可实现性，给关节镜系统的设计提供了重要的参考。
梯度折射率透镜的研究也正处于发展的蓬勃期。
结合新技术的开发，使用梯度折射率透镜的优越性能，可以实现更有效的关节镜设计，为关节镜系统提供解决方案。
总之，梯度折射率透镜在关节镜系统中具有重要作用，有助于设计者实现光学系统的小型化和可靠性提高。
同时，结合新技术的开发，梯度折射率透镜也将发挥更大的作用，用于设计更有效的关节镜。
这将有助于加速关节镜系统的发展，开发出更加高效的系统解决方案。
经过上述研究，可以肯定的是，基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计是一种有效、稳定的方法。
它可以改善系统性能，实现系统的小型化，从而提高系统的可靠性，使关节镜在使用中拥有更稳定、更高效的性能。
同时，与新技术的结合，可以更好地发挥梯度折射率透镜的优势，提供关节镜应用的有效解决方案，为关节镜光学系统的发展和改进提供重要的参考。
Grin-Lens(渐变折射率透镜)
• 成像特性：与透镜长度有关：
GRIN透镜的应用：光源耦合
0.23P lens：angle compress
0.29P lens：facula compress
自聚焦透镜的重要特性
• 重要性能参数：
– – – – – – – – 焦距：f = -1/[n0A1/2sin(A1/2L)] 聚焦参数：A = 2D/a2 数值孔径：NA = n0(2D)1/2 节距：P = 2p/A1/2 1/4 节距透镜 1/2 节距透镜 0.23节距透镜 0.29 节距透镜
sphericallenssphericallensgringrinlenslens1均匀折射率分布材料2依靠弯曲的光学界面实现光学成像3通过非球面来克服像差提高成像质量1渐变折射率分布材料2依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像3通过优化折射率分布提高成像质量从一点发出的不同角度的光线将会聚于另一点形成自聚焦dsdxdydztantansin1原点
矩阵光学符号公约
(1)原点:顶点、主点或焦点 (2)线段:以原点为基点,顺光线传播方向为正,反之为负; (3)角度:以光轴或端面法线为基轴,从基轴向光线转动, 顺时针为负,逆时针为正; (4)标记:在成象图中出现的几何量(长度和角度)均取绝 对值,正量直接标注,负量冠以“-"号之后标注 。
透镜成像矩阵
Spherical lens & GRIN lens
1、均匀折射率分布材料 2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像 3、通过非球面来克服像差，
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像 3、通过优化折射率分布，
提高成像质量
提高成像质量
自聚焦透镜的基本特征
• 平方率折射率分布 • 光线轨迹为cos或sin曲线 • 从一点发出的不同角度的光线将会聚于 另一点，形成“自聚焦” • 具有独到特点：
[优质文档]zemax自聚焦透镜设计
![[优质文档]zemax自聚焦透镜设计](https://img.taocdn.com/s3/m/c84ae5bf011ca300a7c39055.png)
[优质文档]zemax自聚焦透镜设计目录摘要 (I)Abstract............................................ II 绪论................................................. 1 1 自聚焦透镜简介..................................... 2 1.1自聚焦透镜 ..................................... 2 1.2 自聚焦透镜的特点 ............................... 2 1.3 自聚焦透镜的主要参数 ........................... 3 2 自聚焦透镜的应用................................... 5 2.1 聚焦和准直 ..................................... 5 2.2 光耦合 ......................................... 6 2.3 单透镜成像 ..................................... 7 2.4 自聚焦透镜阵列成像 ............................. 7 3 球面自聚焦透镜设计仿真............................. 9 3.1 确定透镜模型 ................................... 9 3.2 设置波长 (9)3.3数值孔径设定 .................................. 11 3.4 自聚焦透镜光路 ................................ 11 4 优化参数.......................................... 124.1光线相差分析 .................................. 12 4.2聚焦光斑分析 .................................. 14 4.3 3D模型 ....................................... 14 结束语.............................................. 15 致谢.............................................. 16 参考文献.. (17)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens)，自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
多磨渐变折射率光纤光缆
多磨渐变折射率光纤光缆
多磨渐变折射率光纤（GRIN Fiber）是最近新型的光学元件，其特点就是折射率的渐变梯度抛射。
是许多激光、光纤技术中不可或缺的一种元件。
多磨渐变折射率光纤通常可以分为两类：一类是具有直接梯度变化的环形结构的型号；另一类是有梯度结构的核心和一般结构的外壳组成的混合型号。
其折射率分布可以从不同的参数计算出来，其折射率可以通过更改抛射梯度来改变。
多磨渐变折射率光纤因其独特的性能而备受关注，首先，它可以展示出良好的无阻塞性能，使得多模开关可以很容易地在一个光束中明确表现出灵活的型号。
其次，多磨渐变折射率光纤可以实现更小的（nanometer-scale)的缩放，这也使得更新的照明设计可以实现更高的光学性能。
此外，多磨渐变折射率光纤也可以用于拥有方便的表面材料，比如具有良好耐气候性和耐磨性的“贴片”外壳，以实现更具可靠性，灵活性和韧性的光纤电缆系统。
多磨渐变折射率光纤的使用还可以实现光通讯、正交调制、空间扩展和抗扰度的高增益性能，使它成为高速光通讯的理想选择，可以更具经济效益和耐用性地根据不同的应用场景定制一系列专门的通信系统。
多磨渐变折射率光纤也可以用于光谱成像和光分辨成像，实现光学信号的更加复杂的处理，这些特性使得结构中尺寸系数可以变得更小，同时可以实现更大的信号转换比率。
总而言之，多磨渐变折射率光纤利用渐进变化抛射折射率的型号，可以实现更强的光功率传输性能和更大的光学分辨率，为激光和光通信技术应用带来许多新机遇，更有许多可以利用多磨渐变折射率光纤技术实现展示出优越性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
矩阵光学符号公约
(1)原点:顶点、主点或焦点 (2)线段:以原点为基点,顺光线传播方向为正,反之为负; (3)角度:以光轴或端面法线为基轴,从基轴向光线转动, 顺时针为负,逆时针为正; (4)标记:在成象图中出现的几何量(长度和角度)均取绝 对值,正量直接标注,负量冠以“-"号之后标注 。
透镜成像矩阵
总成像矩阵
利用透镜传输矩阵S进行简化:
GRIN透镜的成像（I）
GRIN透镜的成像（II）
GRIN透镜的成像（III）
GRIN透镜的成像（IV）
GRIN透镜的成像（V）
GRIN透镜的成像（VI）
透镜成像性质
表
GRIN透镜的应用：准直-聚焦
0.25P lens:on axis
0.25P lens：off axis
Graded Index (GRIN) Lenses
What is GRIN lenses
• GRIN lenses are short cylindrical lengths of glass with a graded refractive index: the index decreases with the square of the distance from the axis of the lens. • GRIN lensindex fibre and are sometimes called SELFOC lenses.
– – – – 体积小、平端面 超短焦距 组合透镜成像特性 可以弯曲成像
直角坐标系中的射线方程
光线的传播轨迹
透镜传输矩阵
q ds dy
dz dx
近轴子午光线近似
t n(r) sin q n tanq n0 tanq
透镜传输矩阵
r0 Cl r t S t ；S A 0 l Al n0 A sin( A L) Bl Cl cos( A L) Dl sin( A L) / n0 A Bl Cl Al Dl 1 Dl Bl
Spherical lens & GRIN lens
1、均匀折射率分布材料 2、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像 3、通过非球面来克服像差，
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像 3、通过优化折射率分布，
提高成像质量
提高成像质量
自聚焦透镜的基本特征
• 平方率折射率分布 • 光线轨迹为cos或sin曲线 • 从一点发出的不同角度的光线将会聚于 另一点，形成“自聚焦” • 具有独到特点：
GRIN透镜的应用：光源耦合
0.23P lens：angle compress
0.29P lens：facula compress
自聚焦透镜的重要特性
• 重要性能参数：
– – – – – – – – 焦距：f = -1/[n0A1/2sin(A1/2L)] 聚焦参数：A = 2D/a2 数值孔径：NA = n0(2D)1/2 节距：P = 2p/A1/2 1/4 节距透镜 1/2 节距透镜 0.23节距透镜 0.29 节距透镜
• 成像特性：与透镜长度有关：