Gradientní optika

Gradientová optika  je obor optiky , který studuje optické vlastnosti materiálů, jejichž index lomu se mění podle souřadnic.

Příkladem gradientní optiky je fata morgána z louže na silnici za horkého dne. Louže je vlastně obrazem oblohy na silnici, jak se světelné paprsky lámou (ohýbají) od jejich normální přímé dráhy. To je způsobeno změnou indexu lomu mezi teplejším, méně hustým vzduchem v blízkosti povrchu vozovky a hustším, chladnějším vzduchem nad ním. Kolísání teploty (a tedy i hustoty) vzduchu způsobuje gradient indexu lomu vzduchu, který se zvyšuje s výškou. Tento gradientový index lomu ohýbá světelné paprsky nad vozovkou pod malým úhlem, což způsobuje, že pozorovatel vidí na povrchu vozovky fatamorgánu.

Této vlastnosti se využívá u gradientních čoček (greens (GRIN) - z anglického  gradient- in dex ) . Tyto čočky mají radiálně klesající index lomu (v paraxiální oblasti podle parabolického zákona, mimo paraxiální oblast podle polynomu, to znamená, že parabola přechází do mocninného polynomu vyššího stupně). Polynomiální rozložení indexu lomu umožňuje získat GRIN s lepší kvalitou obrazu. Destička vyrobená z tohoto materiálu působí jako běžná spojná čočka (její instalace je jednodušší), ale nemusí mít tento tvar. Zelení se zvýšenou délkou, přenášející obraz ze vstupního konce na výstupní, se nazývají selfoc. V Rusku se místo selfoc ustálil termín „gradan“ [1] . Zelené se běžně používají tam, kde je potřeba umístit mnoho malých čoček vedle sebe, v zařízeních, jako jsou pevné endoskopy, kopírky a skenery obrázků .

Takže optické vlákno (gradientové vlákno) může být vyrobeno s radiálně se měnícím distribučním profilem indexu lomu; když je navrženo, rozptyl světla ve vícevidovém vláknu je značně zeslaben.

Oční čočka je nejviditelnějším příkladem gradientní optiky v přírodě. V něm index lomu klesá radiálně. V lidském oku se index lomu čočky pohybuje od asi 1,406 v centrálních vrstvách do 1,386 blíže k okraji [2] . To umožňuje oku získat obraz s dobrým rozlišením a nízkou aberací na krátké i dlouhé vzdálenosti [3] .

Jednou z nejdůležitějších výhod gradientních čoček oproti klasickým čočkám je, že optické plochy greenů mohou být ploché. Tato skutečnost je velmi důležitá při vytváření vysoce kvalitního spojení mezi čočkami a například optickým vláknem. U konvexních sférických povrchů je přítomnost gradientu indexu lomu v čočce (radiální a axiální) ekvivalentní účinku povrchové asferizace, což umožňuje výrazně zvýšit relativní aperturu čočky. V tomto případě s axiálním GRINem by měl být index lomu v horní části povrchu vyšší než v hloubce gradientní zóny. To vede ke snížení indexu lomu na okraji světelné zóny povrchu, což umožňuje snížit úhel lomu paprsku a v důsledku toho korigovat sférickou aberaci. Podobnou vlastnost má korekční (na rozdíl od síly, která dává médiu GRIN optickou mohutnost a probíhá ve stupních) radiální GRIN, u kterého index lomu mírně klesá od osy k vnější válcové ploše čočky. .

Iontově výměnná difúze  je nejoblíbenější metodou pro výrobu skla s gradientem indexu lomu. Například vzorek skla s ionty může být ponořen do kapaliny s ionty . V důsledku difúze budou ionty sodíku částečně nahrazeny ionty lithia; nejsilnější výměna proběhne na hranici. Vzorek tak získá strukturu gradientního materiálu a v souladu s tím i gradient indexu lomu.

Poznámky

  1. ↑ Ilyin V. G. et al. Optika gradanů  // Úspěchy ve vědecké fotografii. - Věda, 1985. - T. 23 . - S. 106-121 .
  2. ↑ Hecht, Eugene. Optika  / Eugene Hecht, Alfred Zając. — 2. — Čtení, mše. : 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 , str. 53-61