梯度折射率球透镜的制备及其光学性能研究

摘要

梯度折射率或变折射率通常被用于描述非均匀介质，其折射率为点对点的变化。常用于研究的梯度折射率介质有三种：一是轴向梯度折射率介质。此种情况下，其折射率沿非均匀介质的光轴方向连续变化，等折射率面是与光轴垂直的平面；二是径向梯度折射率介质。其折射率从光轴到边缘沿横向连续变化，等折射率面是围绕光轴的同心圆柱面。在特定条件下，折射率随横向距离的变化满足抛物线规律，此介质被称为自聚焦透镜；最后一种类型是球型梯度折射率介质。球型梯度可以被认为是围绕某点的对称性折射率。因此，等折射率面是同心球，通过球型梯度的光线传输方程是与短程透镜相似。梯度折射率球透镜是一种折射率以球心为对称中心，并沿球半径方向分布的球型光学元件。它具有简单的几何形状和优秀的光学特性，可以用于光纤通信传输系统，也可以用作成像光学元件及光传感器件。 本论文主要从理论和实验两方面研究梯度折射率球透镜的制备与光学性能问题。并设计了梯度折射率球透镜和梯度折射率棒透镜的眼睛模型，以及提出氧化物模型用于分析梯度折射率棒透镜的色差。 论文主要研究工作如下： 第一章对梯度折射率光学的发展和制备技术进行叙述，指出梯度折射率光球透镜的光学特点，并给出了研究梯度折射率球透镜的意义； 第二章主要从理论方面研究梯度折射率球透镜的折射率和光线轨迹。基于菲克扩散方程、费马定律与程函方程，建立了用于计算梯度折射率球透镜的折射率分布方程和光线轨迹方程，分析了不同半径下的梯度折射率球透镜的折射率分布和光线轨迹。 第三章叙述了用于制备梯度折射率球透镜的基础玻璃制作工艺，包括玻璃配方设计、熔炼工艺和性能测试方面的内容，并采用槽沉法和离子交换法制备了梯度折射率球透镜，测试了梯度折射率球透镜表面特性和透过率； 第四章分别采用薄片干涉法、横向微分干涉法和光学相干层析技术测试了梯度折射率球透镜的折射率分布，从而验证了梯度折射率球透镜折射率分布理论的正确性。分析了不同测试方法下的梯度折射率分布情况和干涉图像，并获得了梯度折射率球透镜中的真实光线轨迹；在近轴近似情况下，建立用于计算梯度折射率球透镜的有效焦距和后焦距方程，并测试了梯度折射率球透镜的有效焦距、后焦距、数值孔径和焦斑衍射强度； 第五章设计梯度折射率球透镜和梯度折射率棒透镜的眼睛模型，并与已有的四种眼睛模型和真实眼睛模型进行比较，分析了不同眼睛模型下的球差、径向和切向能量损耗、像差、场曲； 第六章提出氧化物模型用于分析梯度折射率棒透镜色差，并制备了K+/Tl+，Li+/Na+和K+/Cs+离子交换的梯度折射率棒透镜；采用氧化物模型和Huggins-Sun-Davis(HSD)模型分析梯度折射率棒透镜的色差； 第七章对论文工作进行了总结和展望。 研究结果表明：通过合理设计玻璃的组份，并且制定合理的离子交换工艺，可以通过K+/Tl+交换获得梯度折射率球透镜，并且理论和实验证明梯度折射率球透镜具有较好的光学性能，并在眼睛光学中也能够产生较小的球差。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1光通信中微光学技术

1.2 GRIN透镜的技术与制备工艺

1.3 GRIN球透镜的制备工艺与特点

1.4研究内容和意义

第二章GRIN球透镜折射率分布与光线轨迹

2.1 GRIN球透镜的折射率分布

2.2 GRIN球透镜的光线轨迹

2.3本章小结

第三章GRIN球透镜的设计与制备

3.1基础玻璃理论

3.2 GRIN球透镜成型基础

3.3 GRIN球透镜基础玻璃的制备

3.4 GRIN球透镜的制备

3.5本章小结

第四章GRIN球透镜的光学性能

第五章 GRIN球透镜在眼睛光学中的应用研究

5.1眼睛光学模型

5.2设计与分析

5.3本章小结

第六章GRIN棒透镜色差研究

6.1氧化物模型

6.2 GRIN棒透镜制备

6.3 GRIN棒透镜色差分析

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间论文发表情况