軸向梯度折射率(AGRIN)透鏡技術(shù)向光學(xué)設(shè)計(jì)人員提供了一種簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擴(kuò)大系統(tǒng)性能的新方法。AGRIN透鏡通過(guò)精確和反復(fù)校正透鏡材料的球面象差，可獲得比非球面透鏡及雙片透鏡更好的光學(xué)性能。這類透鏡特別適用于激光系統(tǒng)，可獲得更好的近衍射極限的聚焦性能，耐受更高的光功率，并且不需要其他校正象差的光學(xué)元件。這意味著光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、重量、復(fù)雜性和成本均得到改善。
1.AGRIN透鏡與GRIN透鏡的差異
用于波導(dǎo)禍合的徑向梯度折射率(AGRIN)透鏡為透鏡的折射率由中心向邊緣變化，沿徑向有一個(gè)梯度分布。這種折射率梯度使AGRIN透鏡具有聚焦能力，因此梯度折射率的細(xì)微變化將在徑向方向上影響一級(jí)象差特性，因此AGRIN透鏡對(duì)加工誤差很敏感。
與此相反，GRIN透鏡沿光軸方向有一個(gè)梯度折射率分布，因此它對(duì)透鏡的聚焦能力不起作用。加工透鏡材料時(shí)，使受到彎曲的透鏡表面的折射率變化準(zhǔn)確地與球面象差的效果相反。實(shí)際上，AGRIN透鏡除了利用其表面的斜率控制聚焦外(這點(diǎn)與通常的透鏡一樣)，還利用梯度折射率分布來(lái)校正球面象差。因此，一個(gè)球形表面透鏡的作用就如同一個(gè)雙面非球面透鏡一樣。
軸向梯度折射率透鏡有二個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。首先，’透鏡表面曲率仍然是決定透鏡折射本領(lǐng)的主要因素，因此折射率梯度分布上的偏差對(duì)聚焦性能的影響遠(yuǎn)不如徑向折射率梯度分布透鏡那么靈敏。其次，從理論上講，可以制造出任意大小或厚度的軸向梯度折射率材料，從而可制造出足夠大的光學(xué)元件，應(yīng)用于激光系統(tǒng)中。
2.AGRIN透鏡的研制
長(zhǎng)期以來(lái)校正球面象差采用非球面或雙片光學(xué)透鏡，但這二種方法均有明顯缺點(diǎn)。非球面元件的設(shè)計(jì)要求經(jīng)驗(yàn)豐富的人員或計(jì)算機(jī)控制成形加工.并將透鏡表面拋光到正確的形狀。透鏡表面的檢驗(yàn)也非常費(fèi)時(shí)費(fèi)事。不能使用常規(guī)的球形表面拋光技術(shù)。因此即使是最好的非球形表面，它的質(zhì)量相對(duì)于球形表面加工來(lái)說(shuō)仍然不高，散射較大。這種情況常用雙片透鏡組來(lái)取代，但是雙膠合透鏡應(yīng)用在高功率激光束中常受到損壞，空氣間隔的雙片透鏡組的加工裝調(diào)導(dǎo)致成本增大.利用AGRIN透鏡的概念來(lái)校正球面象差至少已有2D年歷史，但一直未找到經(jīng)濟(jì)有效、重復(fù)性好的制造梯度折射率分布材料的方法。低溫?cái)U(kuò)散工藝，如離子交換、溶劑一凝膠工藝及化學(xué)氣相沉積工藝均曾試驗(yàn)過(guò)，但折射率梯度過(guò)小，而且對(duì)梯度折射率分布的控制程度差，折射率變化的范圍不大，難于實(shí)現(xiàn)適于商業(yè)性生產(chǎn)大直徑光學(xué)材料，因而這些方法均不實(shí)用。
近幾年來(lái)，制造AGRIN材料的工藝已得到完善.一項(xiàng)已取得專利的用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和制備的技術(shù)可生產(chǎn)出人AGRIN透鏡用的坯料。坯料的制備是用折射率逐片增加的薄玻璃片堆疊在一起加熱熔融，使形成的坯料的折射率由底部向頂部逐漸變化，形成連續(xù)的梯度折射率分布。通過(guò)改變玻璃片厚度、光學(xué)特性，以及熔融擴(kuò)散過(guò)程的工藝參數(shù)，可以精確控制坯料的梯度折射率特性及色散特性。目前已能穩(wěn)定生產(chǎn)sin直徑的坯料.一般坯料的軸向梯度折射率(△n)約為0.2，折射率梯度范圍為0.005/tnxn至0.022/mm.人emN坯料制成后即可套芯切割并用常規(guī)光加工技術(shù)制成透鏡.
新的AGRIN透鏡制造技術(shù)能夠滿足商品化批量生產(chǎn)的嚴(yán)格性能指標(biāo)要求，經(jīng)過(guò)完整的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)過(guò)程的驗(yàn)證，證明這項(xiàng)技術(shù)的重復(fù)性極好。由12塊梯度折射率坯樣制成叮2.5透鏡的抽樣測(cè)量結(jié)果，其波象差均在0.05士O·01rms。
3.AGRIN透鏡在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用
激光系統(tǒng)應(yīng)用AGRIN透鏡最具明顯優(yōu)點(diǎn)，它僅需單片即具有衍射極限的聚焦性能。微米級(jí)的聚焦光斑提高了波前質(zhì)量，改善了對(duì)波導(dǎo)的藕合效率，提高了各種相干光學(xué)器件的光束能量密度。而且與常規(guī)透鏡不同，在大的相對(duì)孔徑下仍能保持聚焦性能。
例如，一個(gè)單片r/2.5的AGRIN透鏡可將632.8nm波長(zhǎng)入射光能量的82%聚焦在4拜m的光斑中，而一個(gè)用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙膠合透鏡僅能將25%的人射能量聚焦在同樣大小的光斑內(nèi)。這種微細(xì)聚焦的能力，使AGRIN透鏡特別適合于光纖及波導(dǎo)的應(yīng)用。AGRIN正透鏡的聚焦性能優(yōu)于單面非球面，主要是因其本身對(duì)高級(jí)象差的控制能力，因而在功能上等效于一個(gè)高質(zhì)量的非球面元件。此外這種透鏡能使彗差達(dá)到最小程度，選擇其面形參數(shù)使三級(jí)彗差達(dá)到最小值，然后應(yīng)用梯度折射率使球差最小。AGRIN透鏡的激光損傷闊值也比雙膠合透鏡高出一個(gè)量級(jí)，特別適合于高功率激光器，如Nd:YAG激光系統(tǒng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)1.06拜m的10n，脈沖，它可安全地工作在20)/cmZ功率密度水平。
與非球面透鏡系統(tǒng)相比，AGRIN透鏡表面散射可做到很小，這對(duì)應(yīng)用于高功率光束中的多元件系統(tǒng)非常重要。某些應(yīng)用，如粒子計(jì)數(shù)、流動(dòng)細(xì)胞計(jì)數(shù)器等對(duì)散射非常敏感。AGRIN透鏡具有球形表面，可用常規(guī)光學(xué)加工方法進(jìn)行高度拋光，并易于檢驗(yàn)。因此其表面質(zhì)量及精度遠(yuǎn)比手工磨制的非球面透鏡、壓模制造的玻璃及塑料非球面透鏡為好。
4.減少光學(xué)系統(tǒng)元件的能力
由于單片ACRIN透鏡具有校正球差的能力，因此它對(duì)減少任何光學(xué)系統(tǒng)元件數(shù)量具有潛在前景.較少的光學(xué)元件意味著更有效的光傳輸，降低界面損耗及散射。從而設(shè)計(jì)人員可使光學(xué)系統(tǒng)更小、更輕、更簡(jiǎn)單，例如用AGRIN透鏡制成的擴(kuò)束器，可使總長(zhǎng)度降低25二50%。較少的光學(xué)元件有利于制造及裝調(diào)成本。過(guò)去光學(xué)設(shè)計(jì)人員一直被限制在均質(zhì)材料、元件外形及其間隔等因素之間進(jìn)行折衷，以求達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo);現(xiàn)在AGRIN技術(shù)給設(shè)計(jì)人員增加了另一個(gè)自由度，在設(shè)計(jì)上開(kāi)拓了新的更多的可能性。
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