梯度折射率材料及器件
梯度折射率光学材料非破坏性测量方法的种类及原理 论文
梯度折射率光学材料非破坏性测量方法的种类及原理摘要：对梯度折射率光学材料的测量, 近年来由于半导体激光器的出现, 使光束整形成为需要, 其研究又被提上了日程. 测量光导纤维折射率分布的方法很多, 国内外亦有不少报道,如：折射法、反射法、近场扫描法、衍射法、散射法、横向干涉法、聚焦法,等。
非破坏性方法较破坏性方法具有低成本、测量装置简单、测量理论清晰、测量精度较高、样品制作简单、对样品无破坏以及能进行实时监控等优点。
关键字：非破坏性；梯度折射率光学材料；折射率分布梯度折射率材料制成的光学元件具有显著的特点。
如梯度折射率透镜体积小，数值孔径大，焦距短，端面为平面，消像差性好。
组成光学系统可大大减少组件总数和非球面组件数，因而简化结构。
梯度折射率光纤可以自聚焦，能提高藕合效率。
梯度折射率微型光学元件是集成光学和光计算机的主要组件。
优质梯度折射率光学材料是构成良好商业光学系统的关键。
因此，它在光学系统中有着良好的应用前景。
在生产和使用过程中, 光学参数的测量和确定显得十分重要。
1 周期长度p 和焦距f′的测量一束平行光垂直射入梯度折射率透镜上时，在子午面上，透镜内任一截面上的光束半径由（1）式确定，即(1) 式中，R是梯度折射率透镜的半径，Z是其长度，这样，测得r，就可由（1）式计算周期长度p。
由成像原理知，当入射的光束半径为R时，则输出端面的光束半径r1与入射光束半径R之比为：（2）式中L是透镜焦点到端面的距离。
测得r1，由式（2）可计算出焦距，图1是测量装置简图。
2 数值孔径的测量与普通透镜一样，并非所有的光线都能够通过梯度折射率透镜成象，它也有数值孔径NA，与前者不同的是，它的NA随入射光线的位置而变化。
一个1/4周期长的梯度折射率透镜的数值孔径NA为：图2是测量装置简图先用显微镜通过梯度折射率透镜观察发光圆斑的象，然后，前后移动光阑，直至透镜整个视场与圆斑大小重台，测出圆斑半径Rˊ与圆斑至透镜的距离l，即可求得θmax，从而求得NA0。
菲涅尔反射,亚波长结构,折射率,梯度
菲涅尔反射,亚波长结构,折射率,梯度菲涅尔反射是一种光的反射现象，它是由法国物理学家菲涅尔在19世纪提出的。
菲涅尔反射发生在介质界面上，当光线从一个介质射入另一个介质时，会发生反射和折射。
而亚波长结构是一种特殊的光学材料，其结构尺寸小于光的波长。
折射率是介质对光的折射能力的一个量度，它是指光在介质中传播时速度的变化。
菲涅尔反射是光线从一个介质射入另一个介质时发生的反射现象。
对于垂直入射的光线来说，根据菲涅尔公式，反射光的振幅和入射光的振幅之比等于两个介质的折射率之差除以折射率之和的平方。
当入射角不为零时，反射系数会因为入射角的改变而发生变化。
亚波长结构是一种特殊的光学材料，其结构尺寸小于光的波长。
在亚波长结构中，光的波长与结构的尺寸相比非常小，光波在结构中的传播会受到严重的衍射影响。
这种特殊的结构可以实现吸收、散射、反射、透射等光学性质的调控，从而可以实现对光的控制和调制。
折射率是介质对光的折射能力的一个量度，它是指光在介质中传播时速度的变化。
不同的介质由于其分子结构或原子结构的差异，会对光的传播产生不同的影响。
不同波长的光在同一介质中的折射率也会有所不同。
折射率通常是一个复数，包括实部和虚部，实部对应光的传播速度，虚部对应光的衰减。
梯度是指某个物理量在空间中的变化率。
在光学中，梯度通常指折射率的梯度，即介质中折射率随空间位置的变化率。
当光线穿过介质时，如果介质的折射率随空间的变化很大，就会产生光学梯度现象。
菲涅尔反射和亚波长结构都是光学领域中的重要概念，它们对光的传播和调控具有重要的意义。
在实际应用中，人们可以利用菲涅尔反射和亚波长结构来设计各种光学器件，从而实现对光的控制和调制。
同时，通过对折射率和梯度的理解和控制，人们可以实现对光在介质中的传播和衍射的精确控制，为光学器件的设计和制造提供了重要的理论基础。
值得注意的是，菲涅尔反射和亚波长结构在光通信、光传感、光存储和光学成像等领域都有着重要的应用。
化学气相沉积法制作梯度折射率光学材料的详细介绍
化学气相沉积法制作梯度折射率光学材料的详细介绍化学气相沉积法制作梯度折射率光学材料的详细介绍主讲人：主讲人：陈庆德专业：09光信息科学与技术专业：09光信息科学与技术指导老师：指导老师：石市委化学沉积法定义----化学气相沉积定义化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称化学气相沉积，简称CVD)是反是反应物质在气态条件下发生化学反应，应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
与之相对的是物理气相沉积( 气态传质过程。
与之相对的是物理气相沉积(PVD)。
)。
微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、微制程大都使用技术来沉积不同形式的材料非晶及磊晶材料。
这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、非晶及磊晶材料。
这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、硅碳、氮化硅、米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的、硅锗、 high-k介质等材料。
CVD制程也常用来生成合成钻石。
介质等材料。
制程也常用来生成合成钻石。
介质等材料制程也常用来生成合成钻石化学气相沉积的种类一些CVD技术被广泛地使用及在文献中被提起。
这些技术有不同的起始化学反应机制 (如活化机制) 及不同的制程条件。
以反应时的压力分类以气相的特性分类等离子技术 (可参考等离子制程) 原子层化学气相气相沉积 (Atomic layer CVD, ALCVD) 热丝化学气相沉积 (Hot wire CVD, HWCVD) 有机金属化学气相沉积混合物理化学气相沉积快速热化学气相沉积气相外延(Vapor phase epita_y, VPE)化学气相沉积的种类——以反应时的压力分类化学气相沉积的种类常压化学气相沉积 (Atmospheric Pressure CVD, APCVD):在常压环境下的CVD制程。
近五年内梯度折射率材料及器件的应用于发展
近五年内梯度折射率光学材料及器件的应用的主要进展水悦(安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039)摘要：介绍几种主要的梯度折射率光学材料和常见的光学器件，论述了梯度折射率器件的应用现状和发展前景。
关键词：梯度折射率材料；梯度折射率器件；应用前言梯度折射率介质又称为非均匀介质、变折射率介质或者渐变折射率介质, 指一种折射率不是常数, 而是按一定规律变化的介质, 因此, 英文称作Gradient Index(Grin) 。
梯度折射率光学是近40年才发展起来的一门新兴学科。
但在自然界中, 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。
本文介绍了梯度折射率材料的形成原理，综述了梯度折射率材料的研究进展，梯度折射率材料的发展前景。
1 梯度折射率材料简介及梯度形成原因梯度折射率光学材料的出现，至今大约有100多年了。
早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介质中传播的表征方程，并提出了现在人们所知道的Maxwell鱼眼透镜；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦轨迹在梯度折射率材料中传播的演示；1905年Wood的教科书“物理光学”上就有光通过一梯度折射率槽，显示正弦传播的照片底板。
但是只是在近20年来，由于梯度折射率光学材料在复印机和传真机成像阵列以及光纤耦合器等方面的大量应用，才大大地驱动了他从材料制造、相差理论、光学设计应用开发等方面的快速发展。
首先是美国罗切斯特大学D.T.Moore教授在设计方法和理论研究方面做了大量工作。
梯度折射率
•方面可等效于普通透 镜的非球面作用。 镜的非球面作用。
• C,球面分布梯度折射率 • 折射率分布对称于一个点，折射率等值 折射率分布对称于一个点， 面是球面
• 其例子是1854年的麦克斯维尔鱼眼透镜和利用在广播的微 波波段和声学成像的卢布格透镜
• 以上三种形式的梯度折射率透镜， 以上三种形式的梯度折射率透镜， 由于制造上的难度目前只能生产第 一种和第二种
• 而第一种又具有聚焦和成像的特征， 而第一种又具有聚焦和成像的特征， 因此往往是研究讨论的重点
• 其制作方法常有： 其制作方法常有：
• 中子照射法，化学气象沉积法，塑料热 中子照射法，化学气象沉积法， 共具法，分子填充法，晶体生长法， 共具法，分子填充法，晶体生长法，质 子交换法等等
• 到我国1999年时，利用离子交换法制作 到我国1999年时， 1999年时 自聚焦透镜的技术已经相当完善了， 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 了日本。 了日本。 • 2002年，采用平面掩膜光刻离子交换 2002年 技术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。 光束整形的平面梯度折射率微柱透镜。 • 充分体现了梯度折射率在我国的蓬勃发 展
折射率分布对称于一个点折射率等值面是球面其例子是1854年的麦克斯维尔鱼眼透镜和利用在广播的微波波段和声学成像的卢布格透镜中子照射法化学气象沉积法塑料热共具法分子填充法晶体生长法质子交换法等等到我国1999年时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了日本
• 缺点：受加工工艺的限制， 缺点：受加工工艺的限制， • 难度高，不可能做大的通光孔径 难度高，
• 梯度折射率的分布有三种类型
梯度功能材料
报告人：张倩 专 业：动力工程及工程热物理
2015-10-28
目 录
1 2 3 4 概述 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
梯度功能材料的应用
概述
梯度功能材料（functionally gradient materials,缩写 FGM）是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续 梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空 工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能 反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。 随着梯度功能材料的研究和发展，其应用不再局 限于宇航工业，已经扩展到核能源、电子材料、光 学工程、化学工业和生物医学工程等领域。
概述
梯度功能材料的主要特征：
1.材料的组分和结构呈连续梯度变化 2.材料内部没有明显的界面 3.材料的性质也相应呈连续梯度变化
材料组合方式：
1.金属/陶瓷 2.金属/非金属 3.陶瓷/陶瓷 4.陶瓷/非金属 5.非金属/塑料
梯度折射率材料
梯度折射率材料是一种非匀质材料，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 率也相应地持续变化。 无机材料（如：玻璃梯折材料） 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的设计
使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性 参数也呈连续变化的复合材料。
热防护梯度功能材料
过程：
热力学边界条件
热防护梯度功能材料的设计
选择材料组合体系、制备方法
材料体系物理参数
温度分布模拟和热应力模拟
结果提交材料合成部门
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的种类
梯度功能材料的应用
2.作梯度折射光学材料
梯度折射率透镜
大大减小组件总数 和非球面组件总数、 简化结构
近五年内梯度折射率材料及器件的应用于发展
近五年内梯度折射率光学材料及器件的应用的主要进展水悦(安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039)摘要：介绍几种主要的梯度折射率光学材料和常见的光学器件，论述了梯度折射率器件的应用现状和发展前景。
关键词：梯度折射率材料；梯度折射率器件；应用前言梯度折射率介质又称为非均匀介质、变折射率介质或者渐变折射率介质, 指一种折射率不是常数, 而是按一定规律变化的介质, 因此, 英文称作Gradient Index(Grin) 。
梯度折射率光学是近40年才发展起来的一门新兴学科。
但在自然界中, 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。
本文介绍了梯度折射率材料的形成原理，综述了梯度折射率材料的研究进展，梯度折射率材料的发展前景。
1 梯度折射率材料简介及梯度形成原因梯度折射率光学材料的出现，至今大约有100多年了。
早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介质中传播的表征方程，并提出了现在人们所知道的Maxwell鱼眼透镜；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦轨迹在梯度折射率材料中传播的演示；1905年Wood的教科书“物理光学”上就有光通过一梯度折射率槽，显示正弦传播的照片底板。
但是只是在近20年来，由于梯度折射率光学材料在复印机和传真机成像阵列以及光纤耦合器等方面的大量应用，才大大地驱动了他从材料制造、相差理论、光学设计应用开发等方面的快速发展。
首先是美国罗切斯特大学D.T.Moore教授在设计方法和理论研究方面做了大量工作。
红外梯度折射率GeS2-In2S3-CsCl硫系微晶玻璃制备与性能研究
phaser, Germany) 对切片样品进行物相表征,以确认热处理后微晶玻璃中形成的晶相以及结晶度。 利用
PerkinElmer LAMBDA 950 分光光度计和 Nicolet 380 FT-IR 光谱仪分别测量 0. 4 ~ 2. 5 μm 和 2. 5 ~ 12. 0 μm
合适的晶化热处理,在不析出 GeS2 晶体的情况下,实现 β-In2 S3 单相析出,有利于通过调控 β-In2 S3 纳米晶分
布实现折射率空间变化。 根据 DSC 曲线,选择略大于 T g 的温度(330 ℃ ) 作为起始温度,以免晶粒过度析出
影响透过率。
第 11 期
刘虹君等:红外梯度折射率 GeS2 -In2 S3 -CsCl 硫系微晶玻璃制备与性能研究
1. 1 样品制备
本试验以 Ge(5N) 、In(5N) 、S(5N) 和 CsCl(3N) 为原料制备 65GeS2 -25In2 S3 -10CsCl 玻璃。 将材料按摩
尔比称量后装入石英安瓿瓶中,采用真空泵将安瓿瓶内真空度抽至 1 × 10 - 3 Pa 后熔断密封;将石英安瓿瓶
置入摇摆炉中加热,在 980 ℃ 下熔制 18 h;静置 0. 5 h 后,取出并放入水中淬冷,然后置于马弗炉中退火 2 h,
accessible. Based on 65GeS2 -25In2 S3 -10CsCl chalcogenide glass, a gradient temperature field was used to thermally induce
the precipitation of axially gradient-distributed β-In2 S3 nanocrystals to produce a gradient refractive index transparent
梯度功能材料
梯度功能材料的分类及其Байду номын сангаас点
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、 聚合物等)、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一 或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特 殊功能的新型材料，它与通常的混杂材料和复合材料有明 显的区别。
梯度功能材料的主要特征有以下三点：
①材料的组分和结构呈连续梯度变化；
②材料的内部没有明显的界面； ③材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度光折射率材料
梯度折射率材料是一种非匀质材料，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呈连续 变化。
梯度折射率柱面透镜/棒状透镜/针状内窥镜透镜
梯度折射率材料的折射率梯度类型
(1)径向梯度折射率材料 该种材料为元棒状，其折射 率沿垂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。
梯度功能材料
讲授人：杨纪恩 E-mail:yjen@
目录
梯度功能材料的分类及其特点 梯度光折射率材料
梯度功能材料
梯度功能材料（FGM）是两种或多种材料复合成组分 和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。 最早研究的梯度功能材料是光学梯度功能材料。 1900年美国的Word用明胶做成了光折射率沿径向连 续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料。 1969年，日本的北野等人用离子交换工艺制成玻璃 梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。
1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展， 提出了梯度功能材料的设想。 1987年日本平井敏雄等人提出了金属和陶瓷复合的 热防护梯度功能材料的概念。 1990年10月在日本召开了第一届梯度功能材料国际 研讨会。 我国1980年开始研究梯度功能材料。1991年梯度功 能材料及其应用列入了国家863计划和国家自然科学 基金项目。研究发展较快，进展较好。
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TOPIC 3 TOPIC 1 梯度折射率材料基本分类TOPIC 4 TOPIC 2 第二章
梯折材料按其折射率的分布特性可分为五种基本类型即轴向梯折材 料、径向(或园柱形)梯折材料、球面梯折材料、层状梯折材料、圆 锥状梯折材料
1轴向梯折材料 轴向梯折材料的折射率沿光轴连续地变化，等折射率面是一系列与 光轴垂直的平面。如果设此方向为光轴z方向,则其折射率满足
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TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 第三章 梯度折射率材料的应用 TOPIC 4
一种大数值孔径的梯折透镜已经在西安光机所自聚焦透镜生产线研制成 功。这种透镜是用一种掺杂有高极化离子的新型玻璃系统制成的。把玻璃 制成棒，然后浸入到硝酸盐溶液中进行离子扩散而产生近抛物线型的折射 率分布。把这种棒截成适当长度就可成倒立、正立、放大、缩小的各种实 象或虚象。这种梯折透镜的特点是数值孔径大(NA=0.55～0.60)，成象清晰 (分辨4001p/mm)，化学稳定性高，经久使用不发生裂痕或潮解。 大数值孔径透镜主要用于半导体光源的准直、聚焦、光源与光纤的耦合，光盘中 的抬光透镜，传真机用排透镜，内窥镜物镜等一系列微光器件中。已经用于半导 体激光器的准直，反映良好，也已经用作内窥镜物镜，这种玻璃 材料由于长期在高温熔盐中悬吊不伸长不变形，因而该生产线已经制出了直径大 至10mm的透镜
Main Page 第一章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的发展 TOPIC 4
1964 年, 日本的西泽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 1973 年, 奥特萨卡采用两步扩散- 共聚工艺制作了塑料梯度折射率透镜。 标志着梯度折射率光学进入新的发展阶段。
1.球对称GRIN介质中光线的平面性
2. 球对称GRIN介质沿光线不变量
每条光线有
3. 球对称介质中光线的弯曲方向
Main Page 第二章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 类型 TOPIC 4
麦克斯韦鱼眼介质是Mxawell在1854年提出的一种球对称 GRIN介质模型，其折射率分布函数为: 式中n。是球心处的折射率，r是任一点至球心的径向距离，a是折射率分布常数。
Main Page 第二章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 类型 TOPIC 4
透过率的测量 球 粒 径 的测量
不圆度的测量 表面张力的测量 折射率分布的测量
Main Page 第二章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 类型 TOPIC 4
GRIN透镜的数值孔径
在我国, 中国科学院西安光学精密机械研究所从 1972 年开始在著名光学专家龚 祖同院士指导下进行自聚焦透镜的研究。
Main Page 第一章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的发展 TOPIC 4
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 年他们研究的样品分辨率得到较大的提高。
剪切干涉法测量原理简介 实验装置：干涉仪、显微镜 折射率计算理论分析 如图4.4示，对于样品剖面而言，折射率关于圆心对 称分布，即折射率n为半径r的函数n=n(r)。固定像的 圆心为O，移动像的圆心为O‘，则A点的条纹偏移△y 由P点的折射率差n(r)-n(R)所决定其中r=0P，R=0’P， △y=AP则:
Main Page 第二章
TOPIC 1
TOPIC 4 TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的类型
二、径向(或园柱形)梯折材料。 它的折射率从光轴向外连续地变化，等折射率面是与光轴相对应的无数圆柱面。 折射率函数可写作 具有这种分布的介质，且圆柱端面垂直于轴者称为Wood透镜。细而长 的Wood透镜适用于光通讯等领域。 三、球面梯折材料 其折射率分布有一对称点，等折射率面是无数以对称点为中心的球面。 梯度的对称中心与表面的曲率中心不一定需要重合。
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 应用 TOPIC 4
电视显示及录像 物 镜
传 像 系 统
工 作 直 径
光 学 特 性
Main Page 第三章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 应用 TOPIC 4
内窥镜物镜通常由4-7片透镜组成。在内窥镜外径很细的情况下，例如小于2mm， 其观察系统外径更小。在这种情况下，加工外径为2mm左右的小透镜难度大， 成本高，又不易装配。但是GRIN透镜极易满足上述要求。这种透镜系两端为平 面圆柱形，它的直径小，通光效率高，容易加工，焦距短，其折射率沿径向改 变，且对于近轴光.透镜径向折射率分布近似为两次抛物线分布 式中r为透镜上一点到中心轴的距离;n0为轴上 点折射率;n(r)为距离为r的点的折射率;g为第二 阶折射率系数。 z0为GRIN透镜的长度。当zo=nπ+π/2(n=0，1，2 ，3…)，f’有最小值。所以，使用GRIN透镜很容 易获得短焦距物镜。 式中，△u为中心和边缘折射率之差。通常GRIN透镜的数值孔 径为0.4左右。内窥镜的成像质量主要取决于物镜。对GRIN透 镜的像差分析可知，在小视场情况下，其像质较好，这正适合 于血管内窥镜观察的要求
Main Page 第一章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的发展 TOPIC 4
在 1854 年, 英国著名物理学家麦克斯韦(Maxwell)提出的 Maxwell 鱼眼介质模型, 这是梯度折射率光学介质最早的理论设想被称为 理想的“绝对光学仪器”
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, 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。 1944 年, 鲁尼博格提出了一种能使无穷远物点锐成像的球透镜模型,与 Maxwell 鱼眼介质模型一样, Luneburg 透镜的折射率分布是球对称的。
Main Page 第三章
TOPIC 1
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 应用 TOPIC 4
如图所示的激光聚束镜,设计了三个单片透镜: ①使用普通玻璃,全球面。②用一片非球面(前 表面),普通玻璃③使用轴向梯度折射率材料,全 球面。
(c)的MTF接差的
三、有机高分子化合物。它们是由有机化合物单体经不同条件的聚合或共聚以 后所得的在聚合度或组分上稍有区别的一类高分子材料。所得的材料的几何尺 寸远大于晶体和玻璃，具有成型和加工简便的优点，但在机械性质和热稳定性 方面较差。
由费马原理可知，在非均匀折射率分布介质中光线的传输遵循光线微分方程
球对称梯度折射率器件是指折射率分布形式如n=n(r)的光学器件，介 质中任一点的折射率只是该点到某定点的距离的函数，介质内等折射 率面是以此定点为球心的一簇同心球面。
麦克斯韦鱼眼分布介质中的光线轨迹表达式为
该式是一个圆方程，它表示Maxwell鱼眼介 质中的一般光线的轨迹都是一个圆。在特殊 情况下(光线过球心时)光线轨迹蜕化为通过 介质中心的直线。
图中r0为微球半径、h为光线的入射高度、β为出射光线与入射光线 反方向的夹角,则入射光线的约化高度h/r0可简记为H,微球的漫射性 能可用H-β关系图来表示.
作 者 指导老师
摘
要
TOPIC 1 第一章
TOPIC 2 第二章
TOPIC 3 第三章
TOPIC 4 第四章
梯度折射率材料的发展
梯度折射率材料的类型 梯度折射率材料制成的器件
结
语
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TOPIC 1 第一章
TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的发展 TOPIC 4
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。 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。人类眼睛晶状体就是梯度折射率变化的, 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
麦克斯韦鱼眼透镜、鲁尼伯格透镜是早期发展起来的球面梯折材料，用于光 谱的微波区域。
Main Page 第二章
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TOPIC 3 TOPIC 2 梯度折射率材料的 类型 TOPIC 4
四、层状梯度分布材料 折射率仅沿x轴(或y轴)方向变化，折射率可写作n=n(x)或n=n(y) 形式。具有该 分布的介质在有梯度的方向上对光线进行汇聚(发散)，因此具有柱面透镜的 一维放大作用，其中折射率的平方作线性变化者具有棱镜作用。 五、圆锥状梯度分布材料 对于三个轴向皆有梯度，但x和y方向上梯度分布相同。其等折射率面是中 心轴对称圆锥面系。自然界中昆虫的眼睛有一部分就是由这种分布构成的。 另外，梯折材料按其结构特性也可分为三类。 一、晶体材料。这是微粒在空间作有规则排列的一类固体。与单组分晶体不 同，梯折晶体通常都是由两种或两种以上成分组成的混合晶体。而且两种组 分的浓度随轴向或径向呈正反梯度变化。即如果我们用C1表示一种物质的浓 度，C2为另一种物质的浓度，那么在任一区域就有CI十C2=1的关系。如氯化 钠、氯化银等，它们在红外区域具有较宽的透过波段，是红外仪器和器件的 良好材料。