改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法
2023-05-01 14:59:31
專利名稱：改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法
技術領域：
本發明涉及微小光學、光纖通信和光信息處理，具體涉及改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法。
背景技術：
自聚焦透鏡即徑向變折射率透鏡，是光信息領域的一種十分重要的微小光學基礎元件，它具有直徑小(可以小於1mm)、焦距短(焦點可以位於端面上)、數值孔徑大(可以大於0.6)、成像解析度高(可以大於2501p/mm)、出射光斑小(可以小於1μm)、消像差性能好等特點，對入射光信息具有很好的準直、會聚、擴束、變換、多重成像能力，在光纖通信、光纖傳感、光信息處理等領域有廣泛應用。自聚焦透鏡通常用特製的鉈系光學玻璃，通過光學微加工工藝-離子交換工藝製作。
離子交換是一種很好的光學微加工工藝，在一定定溫度下，通過該工藝可以實現玻璃絲中的一價被交換離子(如Tl+)從玻璃絲向熔鹽中擴散，與此同時熔鹽中的一價交換離子(如K+)從熔鹽向玻璃絲中擴散，並在玻璃絲中部分取代被交換離子。離子交換結果是，玻璃絲中的Tl+離子的濃度從離子交換前的恆定值變成玻璃絲中心處最高，並沿徑向按平方律規律減少。由於玻璃絲的折射率與鉈離子的濃度有線性關係，因而在玻璃絲中就形成了中心處折射率最高，並沿徑向方向遞減的一種變折射率分布。理論證明，理想狀態的折射率分布滿足雙曲線正割分布規律，對近軸光線不存在像差。然而，實際上不管怎麼樣努力，離子交換後的玻璃絲的折射率分布總是或多或少的偏離理想折射率分布，特別是在玻璃絲的邊部，折射率分布曲線和理想曲線總是存在較大的偏離。而且通過自聚焦透鏡(經離子交換後的玻璃絲，再通過冷加工就製成自聚焦透鏡)的光線，不僅有近軸光線，而且還有大量的離軸光線。因而，自聚焦透鏡總是不可避免地存在像差。如果實測的折射率分布曲線的邊部位於理想曲線的上面，出現的是負球差，桶形畸變；如果實測的折射率分布曲線的邊部位於理想曲線的下面，則出現的是枕形畸變。在這兩種情況下，自聚焦透鏡的像差都較大，出射光斑尺寸也較大，而且光斑也很不規則，嚴重的影響了自聚焦透鏡的質量和在光學系統中的應用。因此，為了減小自聚焦透鏡的像差，減少光斑尺寸，就必須改善自聚焦透鏡的折射率分布，使其更接近於理想折射率分布。
發明內容
本發明的目的是提供一種改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，該方法能對用於製造自聚焦透鐿的玻璃絲的折射率分布進行修正，使之更接近於理想折射率分布，以減小像差，提高自聚焦透鏡質量。
本發明所述的改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，包括以下步驟a.採用薄片幹涉法測量自聚焦透鏡的折射率分布；首先將一次離子交換後的玻璃絲橫向切割成薄片樣品，並將樣品兩面進行研磨和拋光，使樣品厚度小於0.3mm；在沙敏幹涉儀對樣品進行測量，得到圓環形的幹涉條紋照片，對照片進行處理得到從樣品中心到邊部不同位置處的折射率數值和折射率分布曲線；這個測量方法是上世紀70年代中期提出和採用的方法。對該方法的理論分析和具體測試技術參見國防工業出版社1991年出版的劉德森，高應俊的學術專著「變折射率介質的物理基礎」第424-426頁。
b.將得到的折射率分布曲線與理想的折射率分布曲線比較，確定自聚焦透鏡邊部的折射率分布是高於或者是低於理想折射率分布；c.二次離子交換當一次離子交換後的自聚焦透鏡邊部的折射率分布曲線高於理想折射率分布曲線、出現負球差和桶形畸變時，二次離子交換採用的熔鹽為3％-6％NaNO3和97％-94％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在20-30分鐘以內；如果二次離子交換對自聚焦透鏡折射率分布曲線的改善還不能達到要求，可以在二次離子交換基礎上進行第三次，第四次離子交換，直到得到滿意的折射率分布曲線為止；當第一次離子交換後自聚焦透鏡邊部的折射率分布曲線底於理想折射率分布曲線、出現正球差和枕形畸變時，二次離子交換採用的熔鹽為3％-6％Tl2SO4和97％-94％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在20-30分鐘以內；如果二次離子交換對自聚焦透鏡折射率分布曲線的改善還不能達到要求，可以在二次離子交換基礎上進行第三次，第四次離子交換，直到得到滿意的折射率分布曲線為止；所述的改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，還包括二次離子交換後的熱處理，熱處理在離子交換爐中進行，其工藝過程是先在離子交換溫度530℃處恆溫2小時，再從離子交換溫度530℃，以每小時20℃的速率使爐溫下降至300℃，降溫時間是11小時半，在300℃的爐溫下恆溫3小時，然後再以每小時30℃的速率使爐溫下降至150℃，再自然冷卻到室溫。
離子交換的基本原理就是用熔鹽中對玻璃折射率貢獻較小的一價鹼金屬離子通過擴散去置換玻璃中對玻璃折射率貢獻較大的一價離子，從而達到使玻璃的折射率由均勻分布變為變折射率分布的目的。但是，一次離子交換結果得到的折射率分布一般並不理想，對理想的折射率分布有較大的偏離，二次離子交換的目的就是繼續採用新的混合熔鹽中的一價鹼金屬離子去置換一次離子交換後自聚焦透鏡絲邊部的一價離子，從而可以改善一次離子交換後的自聚焦透鏡邊部的折射率分布，使其更接近於理想折射率分布。熔鹽是針對二次離子交換的目的，是需要降低或者是升高自聚焦透鏡邊部的折射率而定，採取可以降低或者可以增加玻璃折射率的一價鹼金屬離子的混合鹽，離子交換溫度由玻璃的軟化溫度確定，離子交換的時間由欲改善折射率分布邊部的程度確定，厚度越小，離子交換時間越短，一般應控制在20-30分鐘。
實驗證明，在一次離子交換基礎上採用二次離子交換工藝，可以很好的改善自聚焦透鏡邊部的折射率分布，使之更接近理想折射率分布，從而可以明顯地改善像差。表1就是二次離子交換對自聚焦透鏡像差的改善情況。
表1二次離子交換對自聚焦透鏡像差的改善
圖1是採用NaNO3混合鹽進行二次離子交換處理降低自聚焦透鏡邊部折射率的折射率分布曲線與一次離子交換處理後的折射率分布曲線和理想折射率分布曲線的比較圖。
圖2是採用TI2SO4混合鹽進行二次離子交換處理提高自聚焦透鏡邊部折射率的折射率分布曲線與一次離子交換處理後的折射率分布曲線和理想折射率分布曲線的比較圖。
圖3是測量自聚焦透鏡折射率分布的薄片幹涉法光路圖。
具體實施例方式
實施例1參見圖1，採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品NO 01的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是負球差，桶形畸變，其邊部的折射率分布高於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，第二次離子交換處理的目的就是要降低自聚焦透鏡邊部的折射率，使之更接近於理想折射率分布。所以，在二次離子交換中，採用的熔鹽是3％NaNO3和97％KNO3的混合鹽，離子交換溫度是530℃±0.5℃，為了僅修正透鏡邊部的折射率分布，二次離子交換的時間是30分鐘。對經過二次離子交換處理後的樣品，採用薄片幹涉法測量其折射率分布，結果發現在邊部的折射率比第一次離子交換後樣品的折射率有較大的減小，更接於理想折射率分布。像差測試表明，桶形畸變由0.152降為0.081，縱向球差由0.320降為0.155，測量結果證明，二次離子交換處理明顯地改善了自聚焦透鏡的折射率分布和像差特性。
實施例2除二次離子交換時間改為25分鐘外，其它和實施例1相同，對經二次離子交換後的自聚焦透鏡樣品NO 02，進行了折射率分布和像差特性測量，測量結果表明，桶形畸變由原來的0.160降為0.073，縱向球差由原來的0.210降為0.190，明顯地改善了自聚焦透鏡邊部的折射率分布和像差特性。
實施例3採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品NO 01的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是負球差，桶形畸變，其邊部的折射率分布高於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，第二次離子交換處理的目的就是要降低自聚焦透鏡邊部的折射率，使之更接近於理想折射率分布。所以，在二次離子交換中，採取的熔鹽是2％NaNO3與98％KNO3的混合鹽，離子交換溫度是530℃±0.5℃，為了僅修正透鏡邊部的折射率分布，二次離子交換的時間是30分鐘。對經過二次離子交換處理後的兩種樣品，採用薄片幹涉法測量其折射率分布，結果發現在邊部的折射率都比第一次離子交換後樣品的折射率有一定下降，更接於理想折射率分布，但下降較實施例1要小。像差測試表明，桶形畸變和縱向球差都有較大的下降，但比實施例1要小。
實施例4採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品NO 01的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是負球差，桶形畸變，其邊部的折射率分布大於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，對自聚焦透鏡樣品NO 01先在3％NaNO3和97％KNO3的混合鹽中進行二次離子交換，交換溫度是530℃±0.5℃，交換時間25分鐘；然後，再在離子交換爐中進行熱處理，熱處理工藝是先在離子交換溫度530℃處恆溫2小時，再從離子交換溫度530℃，以每小時20℃的速率使爐溫下降至300℃，降溫時間是11小時半，在300℃的爐溫下恆溫3小時，然後再以每小時30℃的速率使爐溫下降至150℃，再自然冷卻到室溫就可取出交換的自聚焦透鏡絲，整個熱處理工藝共需時間21小時30分鐘。最後再測量該自聚焦透鏡的折射率分布曲線和像差，得到的自聚焦透鏡的折射率分布曲線在邊部有明顯下降，較接近理想折射率分布曲線，畸變由0.152下降到0.094，縱向球差由0.320下降為0.126，畸變和球差都有明顯的改善。
實施例5，採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品NO 02的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是負球差，桶形畸變，其邊部的折射率分布大於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，我們對自聚焦透鏡樣品NO 02先在3％NaNO3和97％KNO3的混合鹽中進行二次離子交換，交換溫度是530℃±0.5℃，交換時間25分鐘，然後再在離子交換爐中進行熱處理，熱處理工藝是先在離子交換溫度530℃處恆溫2小時，再從離子交換溫度530℃，以每小時20℃的速率使爐溫下降至300℃，降溫時間是11小時半，在300℃的爐溫下恆溫3小時，然後再以每小時30℃的速率使爐溫下降至150℃，再自然冷卻到室溫就可取出交換的自聚焦透鏡絲，整個熱處理工藝共需時間21小時30分鐘。最後再測量該自聚焦透鏡的折射率分布曲線和像差，得到的自聚焦透鏡的折射率分布曲線在邊部有明顯下降，較接近理想折射率分布曲線，畸變由0.160下降到0.092，縱向球差由0.210下降為0.145，畸變和球差都有明顯的改善。
以上實施例說明，在其它工藝條件相同情況下，1-6％NaNO3和99-94％KNO3的混合鹽都可以改善自聚焦透鏡的折射率分布曲線，減少像差，但混合鹽的最佳比例是3％NaNO3和97％KNO3的混合鹽，這時，改善折射率分布曲線、改善像差的效果最好。
實施例6，採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是正球差，枕形畸變，其邊部的折射率分布低於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，第二次離子交換處理的目的就是要提高自聚焦透鏡邊部的折射率，使之更接近於理想折射率分布。所以，在二次離子交換中，採用的熔鹽是3％Tl2SO4和97％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在20分鐘以內；對經過二次離子交換處理後的樣品，採用薄片幹涉法測量其折射率分布，結果發現在邊部的折射率比第一次離子交換後樣品的折射率有較大的提高，更接於理想折射率分布。
實施例7，採用薄片幹涉法測量第一次離子交換後自聚焦透鏡樣品的折射率分布，並測量樣品的畸變和球差，測量結果該樣品是正球差，枕形畸變，其邊部的折射率分布低於理想折射率分布。為了改善邊部的折射率分布，第二次離子交換處理的目的就是要提高自聚焦透鏡邊部的折射率，使之更接近於理想折射率分布。所以，在二次離子交換中，採用的熔鹽是6％Tl2SO4和94％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在30分鐘以內；對經過二次離子交換處理後的樣品，採用薄片幹涉法測量其折射率分布，結果發現在邊部的折射率比第一次離子交換後樣品的折射率有較大的提高，更接於理想折射率分布。
權利要求
1.改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，包括以下步驟a.採用薄片幹涉法測量自聚焦透鏡的折射率分布；首先將一次離子交換後的玻璃絲橫向切割成薄片樣品，並將樣品兩面進行研磨和拋光，使樣品厚度小於0.3mm；在沙敏幹涉儀對樣品進行測量，得到圓環形的幹涉條紋照片，對照片進行處理得到從樣品中心到邊部不同位置處的折射率數值和折射率分布曲線；b.將得到的折射率分布曲線與理想的折射率分布曲線比較，確定自聚焦透鏡邊部的折射率分布是高於或者是低於理想折射率分布；c.二次離子交換當一次離子交換後的自聚焦透鏡邊部的折射率分布曲線高於理想折射率分布曲線、出現負球差和桶形畸變時，二次離子交換採用的熔鹽為3％-6％NaNO3和97％-94％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在20-30分鐘以內；當第一次離子交換後自聚焦透鏡邊部的折射率分布曲線底於理想折射率分布曲線、出現正球差和枕形畸變時，二次離子交換採用的熔鹽為3％-6％Tl2SO4和97％-94％KNO3的混合鹽，離子交換溫度控制在530℃±0.5℃，離子交換的時間控制在20-30分鐘以內。
2.根據權利要求1所述的改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，其特徵在於，可以在二次離子交換基礎上進行第三次，第四次離子交換，直到得到滿意的折射率分布曲線為止。
3.根據權利要求1所述的改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，其特徵在於，還包括二次離子交換後的熱處理，熱處理在離子交換爐中進行，其工藝過程是先在離子交換溫度530℃處恆溫2小時，再從離子交換溫度530℃，以每小時20℃的速率使爐溫下降至300℃，降溫時間是11小時半，在300℃的爐溫下恆溫3小時，然後再以每小時30℃的速率使爐溫下降至150℃，再自然冷卻到室溫。
全文摘要
本發明涉及改善自聚焦透鏡折射率分布的新方法，包括以下步驟將一次離子交換後的玻璃絲橫向切割成薄片樣品，在沙敏幹涉儀上採用薄片幹涉法對樣品進行測量，得到折射率數值和折射率分布曲線；當高於理想折射率分布曲線、出現負球差和桶形畸變時，二次離子交換採用的熔鹽為3％－ 6％NaNO
文檔編號G02B3/00GK1790061SQ20041008152
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月14日 優先權日2004年12月14日
發明者劉德森, 郎賢禮, 周自剛, 蔣小平, 劉曉東 申請人:西南師範大學