Градиентная оптика

Градиентная линза с параболической зависимостью показателя преломления (n) от радиального расстояния (x). Такая линза фокусирует свет, не так как традиционные линзы.

Градиентная оптика — раздел оптики, охватывающий явления, связанные с оптическими эффектами в средах с постепенным изменением показателя преломления.

Примером эффекта градиентной оптики является мираж (например, появление лужи на дороге в жаркий день). В действительности, лужа - это лишь изображение неба, видимое на дороге, так как лучи света преломляются (изгибаются) от их нормальной прямолинейной траектории. Это происходит из-за изменения показателя преломления между тёплым и менее плотным воздухом у поверхности дороги и более плотным и холодным воздухом над ней. Колебание температуры (и соответственно плотности) воздуха служит причиной возникновения градиента в показателе преломления воздуха, который увеличивается в зависимости от высоты. Этот градиентный показатель преломления изгибает лучи света на дороге (на небольшой угол), в глазах наблюдателя появляется мираж на поверхности дороги. В меньших масштабах этот эффект проявляется в мареве.

Это свойство используется в градиентных линзах (Гринах (GRIN) — от англ. gradient-index). Эти линзы с радиально уменьшающимся показателем преломления (в параксиальной области по параболическому закону, вне параксиальной области по полиномиальному, то есть парабола переходит в степенной многочлен более высокой степени). Полиномиальное распределение показателя преломления позволяет получить GRIN с лучшим качеством изображения. Пластина, сделанная из такого материала действует как обычная собирающая линза (установка её проще) но она не обязательно должна иметь такую форму. Грины увеличенной длины, переносящие изображение с входного торца на выходной носят название selfoc. В России вместо selfoc утвердился термин «градан». Грины обычно используются там где необходимо установить очень много маленьких линз рядом, в таких устройствах как жёсткий эндоскоп, копировальные устройства и сканеры.

Например, в многомодовых волокнах с градиентным профилем оптическое волокно может быть сделано из радиально-изменяющегося профиля распределения показателя преломления, в котором сильно ослабляется дисперсия света.

В хрусталике глаза человека природа также использует радиально-уменьшающийся показатель преломления, для фокусировки света.

Важнейшее преимущество градиентных линз при сравнении с классическими линзами заключается в том, что оптические поверхности Гринов могут быть плоскими. Этот факт является очень важным и принципиальным при создании связи высокого качества передачи информации между линзами и, например, оптическими волокнами. При выпуклых поверхностях сферической формы наличие градиента показателя преломления в линзе (радиального и осевого) равнозначно действию получения асферической поверхности линзы, что позволяет существенно повысить относительное отверстие линзы и снизить хроматическую аберрацию (впервые асферические поверхности линз стали применять в корпорации Nikon в 1960г.).

Обмен ионами — самый распространённый способ производства стекла с градиентным показателем преломления. Например, образец стекла с Na⁺ ионами может быть опущен в жидкость с растворёнными Li⁺ ионами. В результате диффузии, ионы Na будет частично заменёны ионами Li, наиболее сильным обмен будет на границе раздела фаз. Таким образом, образец получит структуру градиентного материала, и соответственно градиент показателя преломления.

См. также

• Градиент
• Волоконная оптика
• Линза (оптика)
• Многомодовое оптическое волокно