Gradientoptik

Gradientoptik  er en gren af ​​optik , der studerer de optiske egenskaber af materialer, hvis brydningsindeks varierer med koordinaterne.

Et eksempel på gradientoptik er en vandpyt- mirage på en vej på en varm dag. Vandpytten er faktisk et billede af himlen på vejen, da lysstrålerne brydes (bøjes) fra deres normale lige vej. Dette skyldes ændringen i brydningsindeks mellem den varmere, mindre tætte luft nær vejoverfladen og den tættere, koldere luft over den. Udsving i luftens temperatur (og derfor tæthed) forårsager en gradient i luftens brydningsindeks, som stiger med højden. Dette gradient brydningsindeks bøjer lysstrålerne over vejen gennem en lille vinkel, hvilket får observatøren til at se et fatamorgana på vejoverfladen.

Denne egenskab bruges i gradientlinser (grønne (GRIN) - fra det engelske  gradient - in dex ) . Disse linser har et radialt faldende brydningsindeks (i det paraaksiale område ifølge den parabolske lov, uden for det paraksiale område ifølge polynomiet, dvs. at parablen går ind i et potenspolynomium af højere grad). Den polynomielle fordeling af brydningsindekset giver dig mulighed for at få GRIN med bedre billedkvalitet. En plade lavet af dette materiale fungerer som en almindelig konvergerende linse (dens installation er lettere), men den behøver ikke at have den form. Grønne med øget længde, der overfører billedet fra input-enden til output-enden, kaldes selfoc. I Rusland blev udtrykket "gradan" etableret i stedet for selfoc [1] . Grønne bruges ofte, hvor mange små linser skal placeres side om side, i enheder som stive endoskoper, fotokopimaskiner og billedscannere .

Så en optisk fiber (gradientfiber) kan fremstilles med en radialt skiftende brydningsindeksfordelingsprofil; når den er designet, er spredningen af ​​lys i en multimode fiber stærkt dæmpet.

Øjens linse er det mest oplagte eksempel på gradientoptik i naturen. I den falder brydningsindekset radialt. I det menneskelige øje varierer linsens brydningsindeks fra omkring 1,406 i de centrale lag til 1,386 tættere på kanten [2] . Dette gør det muligt for øjet at opnå et billede med god opløsning og lav aberration både på korte og lange afstande [3] .

En af de vigtigste fordele ved gradientlinser i forhold til klassiske linser er, at greens optiske overflader kan være flade. Dette faktum er meget vigtigt, når der skal skabes en højkvalitetsforbindelse mellem linser og for eksempel optisk fiber. Med konvekse sfæriske overflader svarer tilstedeværelsen af ​​en brydningsindeksgradient i linsen (radial og aksial) til effekten af ​​overfladeasferisering, hvilket gør det muligt at øge linsens relative blænde betydeligt. I dette tilfælde, med aksial GRIN, bør brydningsindekset i toppen af ​​overfladen være højere end i dybden af ​​gradientzonen. Dette fører til et fald i brydningsindekset ved kanten af ​​overfladens lyszone, hvilket gør det muligt at reducere strålens brydningsvinkel og som et resultat korrigere sfærisk aberration. En lignende egenskab besidder en korrigerende (i modsætning til kraften, som giver optisk kraft til GRIN-mediet og foregår i grader) radial GRIN, hvor brydningsindekset falder lidt fra aksen til den ydre cylindriske overflade af linsen .

Ionbytningsdiffusion  er den mest populære metode til fremstilling af glas med et gradient brydningsindeks. For eksempel kan en glasprøve med ioner nedsænkes i en væske med ioner i . Som et resultat af diffusion vil natriumioner delvist blive erstattet af lithiumioner; den stærkeste udveksling vil finde sted ved grænsen. Således vil prøven modtage strukturen af ​​gradientmaterialet og følgelig gradienten af ​​brydningsindekset.

Noter

1. ↑ Ilyin V. G. et al. Optics of gradans  // Succeser i videnskabelig fotografering. - Videnskab, 1985. - T. 23 . - S. 106-121 . (Russisk)
2. ↑ Hecht, Eugene. Optik  / Eugene Hecht, Alfred Zając. — 2. — Læsning, Messe. : Addison-Wesley, 1987. - S.  178 . - ISBN 978-0201116090 .
3. ↑ Shirk JS, Sandrock M, Scribner D, Fleet E, Stroman R, Baer E, Hiltner A. (2006) NRL Review pp. 53-61