称梯度渐变折射率(GRIN)透镜,其内部特殊的折射率分布使从透镜端面入射的光线在透镜内部沿正弦曲线传播。其折射率变化N(r)由下式描述:N(r)=N0(1-Ar2/2)(式中:N0表示自聚焦透镜的中心折射率,r表示自聚焦透镜的半径,A表示自聚焦透镜的折射率分布常数)自聚焦透镜的主要应用参数包括:透镜直径Ф;中心轴折射率N0;折射率分布常数A;数值孔径NA(NA=nSinαm,式中n表示入射光所在介质的折射率,αm表示入射光线的最大孔径角);截距P(光束沿正弦轨迹传播,完成一个正弦波周期的长度即称为一个截距P);透镜长度Z(透镜两端面之间的距离即为透镜长度)。图1自聚焦透镜折射率分布曲线在不同长度的棒透镜中,光的传播轨迹不同。如下所示:图2不同长度的GRIN棒中光的传播轨迹图中,Z为透镜长度,P为截距。如图所示,沿棒透镜长度方向的不同位置可以得到不同的成像状态。由此可见,选择不同的棒透镜长度,可起到凸透镜或凹透镜的作用,形成倒立实像和虚像、正立实像和虚像。2.自聚焦透镜的制备:为了获得折射率成梯度分布的棒透镜,制备自聚焦透镜最为常用的方法是离子交换法,它具有成本低和容易控制等优点,被广泛地用于光通信用自聚焦透镜的制作。主要工序及流程包括:玻璃熔炼,玻璃棒加工,拉制纤维,离子交换,棒透镜抽样测试。其基本原理图如下:图7离子交换法的基本原理由于一价金属离子在玻璃中具有最大的扩散系数,为获得GRIN棒,在高温下,将基础玻璃放入熔融盐浴中,引发离子交换反应,用熔盐中的对折射率贡献较小的离子部分替换基础玻璃中对折射率贡献较大的离子,使这两种离子在玻璃中的浓度形成一定的梯度,而在玻璃中产生折射率梯度。基础玻璃中必须具有足够的高极化率离子(Tl+,Cs+,Ag+等),而用于离子交换的熔盐应含有电子极化率小的离子(K+或Na+)。为满足光通信用自聚焦透镜的要求,基础玻璃配方必须符合如下条件:
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