Градиентные линзы

0

В ВОСП и ВОД широкое применение для различных целей находят оптические линзы и микролинзы.

В обычных классических элементах оптических систем значение ПП постоянно по всему сечению каждой оптической компоненты. Создавая систему из таких элементов, конструктор рассчитывает кривизну линз, форму и размеры линз и другие компоненты системы, выбирает требуемые материалы для изготовления элементов, полагая при этом значение ПП каждого материала постоянным.

Градиентные линзы

 


 

 

 

 

 

Недавно, лишь около 15 лет тому назад, возникла и иная возможность решения задач конструирования оптических систем, когда используют не только форму и размеры элементов системы, но и требуемые характеристики оптических параметров отдельных компонентов. При этом получают линзы, световоды и другие изделия с переменным ПП, плавно изменяющимся по сечению изделия. Такие оптические компоненты получили наименование градиентных, а раздел технической оптики, изучающий строение, свойства и технику их изготовления, именуют градиентной оптикой.

Градиентные оптические элементы уже нашли широкое применение в системах световодной связи и передачи информации, а также в области передачи и формирования изображений. Вместе с тем область использования градиентных линз и других компонентов с плавно изменяющимся по сечению значением ПП непрерывно расширяется.

В системах световодной связи широкое распространение получили так называемые градиентные волоконные световоды - оптические волокна, в которых ПП сердцевины имеет наибольшее значение на оси волокна и плавно уменьшается по радиусу сечения волокна. В отличие от ранее созданных волокон со ступенчатым изменением ПП (сердцевина волокна имеет ПП, равный n1, а оболочка волокна - n2, где n2</sub>> n2) в градиентных волокнах значение ПП сердцевины плавно изменяется по заданному закону, имея максимум на оси волокна и уменьшаясь до значения ПП оболочки. В результате этого процесс распространения луча в градиентном световоде носит иной характер, чем в ступенчатом волокне. Если в ступенчатом волокне попадание луча в канал обеспечивается многократным полным внутренним отражением его у поверхности раздела сердцевина - оболочка, то в градиентном волокне траектория луча имеет вид синусоиды. Луч в градиентном волокне периодически приближается к оси волокна и удаляется от нее, не проникая в оболочку. В ступенчатом ВС скорости распространения различных мод различны. В градиентном ВС все моды распространяются с одинаковыми скоростями, что положительно влияет на ширину полосы пропускания световода.

Линза на основе градиентного световода обычно имеет цилиндрическую форму, распределение ПП имеет максимум на оси и затем значение ПП уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния по радиусу.

На рис. 43 изображены типичные траектории лучей для точки на оси (рис. 43, а) и для точки на расстоянии r0 от оси (рис. 43, б).

Градиентные линзы

 


Рис. 43. Ход лучей в световодной линзе для точки объекта на оси (а) и вне оси (б)

 

 

В волоконно-оптических устройствах чаще используют линзы длиной L/4 (четвертьшаговые линзы). Они преобразовывают пучки света с большой числовой апертурой и малым диаметром в коллимированные пучки света с большим диаметром.

Использование коллимированного пучка света позволяет не только применять элементы, чувствительные к углам падения лучей, но и располагать входные и выходные линзы далеко друг от друга, так что между ними можно помещать дополнительные элементы (из-за малой расходимости пучка лучей).

Линзы на основе градиентного световода особенно удобны для применения в оптических устройствах, передающих и обрабатывающих оптические сигналы в ВОСП и ВОД.

Так, линзы на основе градиентных световодов обладают плоскими гранями на входе и выходе. Это означает, что оптические элементы можно наклеить прямо на грани линзы прозрачным клеем. Поскольку такие линзы могут прикрепляться непосредственно к другим элементам какого-либо устройства, получается компактная, стабильная и надежная конструкция. Они обладают меньшими аберрациями, чем эквивалентные простые линзы, что приводит к меньшим потерям на ввод излучения.

Практика показала, что во многих случаях разработка технологии производства изделий градиентной оптики оказывается очень сложной задачей. Это обусловлено необходимостью учитывать многие, еще недостаточно изученные факторы, в частности анизотропность материалов заготовок, когда требуется получать в изделии плавное изменение ПП по различным направлениям.

Следует различать три вида градиентов ПП: градиент, характеризующий изменение ПП по некоторой оси оптического компонента,- аксиальный градиент изменения ПП;

радиальный градиент, при котором эквиградиентные поверхности имеют форму цилиндров, а эквиградиентные линии в сечении изделия представляют собой окружности. Пример изделия с радиальным градиентом - градиентное волокно; сферический градиент, при котором значение ПП симметрично относительно некоторой точки и эквиградиентные поверхности имеют сферическую форму.

Важнейшими факторами, в первую очередь определяющими возможности применения любого метода получения в материале оптической градиентной структуры, являются характеристика глубины получаемого градиентного слоя и диапазон изменения значения ПП на внешней и внутренней поверхностях этого градиентного слоя. В табл. 13 приведены данные об этих характеристиках для ряда способов создания градиентных структур в различных материалах.

Первым методом, указанным в табл. 13, является облучение нейтронами, когда стекло, содержащее значительную присадку бора (элемента, имеющего особенно высокое значение поперечного захвата тепловых нейтронов), облучают нейтронами. Реакция захвата нейтронов ядрами бора приводит к изменению химического состава, а следовательно, и оптических свойств облучаемого объекта. Благодаря тому, что реакция захвата нейтронов происходит наиболее интенсивно в наружных поверхностных слоях облучаемого материала и по мере дальнейшего проникновения нейтронов в облучаемый объект захватывается ядрами бора все меньше и меньше нейтронов, облучение приводит к созданию в поверхностном слое материала объекта плавного изменения ПП. Таким образом в материале объекта получают градиентную структуру. Глубина создаваемого слоя с плавным изменением ПП в данном случае получается относительно небольшой (до 0,1 мм), причем требуется довольно значительный поток нейтронов, а облучаемый объект оказывается в течение некоторого времени, измеряемого, по меньшей мере часами, радиоактивным. Все это существенно ограничивает возможности применения облучения нейтронами стекол как метода создания в них градиентных структур.

Второй из указанных в табл. 13 методов - парофазное осаждение - нашел очень широкое применение при изготовлении градиентного волокна для систем световодной связи и передачи информации. Обычно таким методом получают заготовки (прессформы), из которых затем вытягивают требуемое световодное волокно. Суть процесса заключается в том, что на внутреннюю или наружную поверхность поверхность трубки осаждаются последовательно слои стекла, химический состав которых несколько изменяется по мере наращивания толщины этого осадка.

 

 

Методы получения в материале градиентной структуры

Таблица 13

Метод

Глубина слоя с плавным изменением n, мм

Разность значений ПП

Облучение нейтронами

0,1

0,02

Осаждение из паров

0,1

0,01

Управляемая поляризация

100

0,01

Ионный обмен

10

0,04

Внедрение ионов

50

0,04

Изменение состава материала в процессе

20

0,05

выращивания кристалла

 

 

 

Изменение состава получаемых слоев носит ступенчатый характер, но когда прессформа диаметром порядка 20 мм растягивается и из нее получается волокно диаметром 50... 100 мкм, толщины слоев с различным ПП оказываются меньшими, чем длина волны света, и тогда можно считать градиент непрерывным.

Третий метод используется при изготовлении изделий градиентной оптики (волокон, линз) из полимеров, когда мономер полимеризуют действием ультрафиолетового излучения или луча лазера. Этот метод имеет важное достоинство, так как позволяет сравнительно просто создавать градиентные структуры в значительных по своей толщине слоях материала, управляя при этом характером профиля изменения ПП вещества. К сожалению, этот метод еще мало разработан применительно к производству градиентных линз и, применяя метод управляемой полимеризации для изготовления градиентных структур, еще недостаточно изучено действие некоторых факторов, в частности температуры, на получаемые характеристики изделий.

Четвертый метод именуется методом ионного обмена. Он используется довольно широко вследствие своей простоты. При этом методе осуществляется диффузия в стекле ионов других элементов, замещающих в стекле часть ионов натрия. Для этого заготовка из стекла может помещаться в расплав, например бромида лития. Ионный обмен происходит наиболее активно в наружном поверхностном слое стеклянной заготовки, затем по глубине поверхностного слоя количество замещенных ионов натрия уменьшатся и таким путем создается градиентная структура. Однако при методе ионного обмена ограничены возможности получения различных профилей изменения ПП в изготавливаемом объекте.

Метод внедрения ионов технологически сложен и не нашел широкого применения.

Последний метод, указанный в табл. 13, - метод выращивания кристаллов, обладающих требуемым градиентом изменения ПП материала волокна по своему сечению. Этот метод хорошо иллюстрируется примером выращивания кристаллов хлористого натрия в растворе, содержащем хлористый натрий и хлористое серебро. Причем соотношение последних в растворе изменяется по мере роста кристалла, состоящего главным образом из хлористого натрия. Метод выращивания кристаллов в ваннах переменного состава представляется весьма перспективным и считается возможным выращивать этим способом градиентные структуры в германии и кремнии при создании изделий, использующих этот эффект.

В целом с развитием соответствующей технологии градиентные линзы найдут самое широкое применение в судовых системах с использованием ВОСП и ВОД.

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Категория: Рефераты / Физика

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.