光通信用自聚焦透镜的制备.pdf

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1、第10卷第5期光学精密工程VOI.10NO.52002年10月0pticsandPrecisiOnEngineering0ct.2002文章编号1004-924X（2002）05-0483-04光通信用自聚焦透镜的制备金龙文，郝寅雷，王岩，齐冰，赵文兴（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130022）摘要：制备了自聚焦透镜的基础玻璃，对其透过率进行了测试，并对由这种玻璃制成的梯度折射率（GRIN）棒的折射率分布进行了分析。结果表明，基础玻璃在可见和近红外波段的透过率大于89%；GRIN棒内部的折射率分布接近理想分布。关键词：光通信；梯度折射率；自聚焦透镜；

2、离子交换中图分类号：TN929.1文献标识码：A用器件以及光开关等显示出独特的优势。!引言离子交换法是制备自聚焦透镜最为常用的方法，它具有成本低和容易控制等优点，被广泛地用于光通信用自聚焦透镜的制作［10-12］。美国的自聚焦透镜是一种折射率沿径向变化的圆柱［1］ROchester大学光学研究所和日本的NSG（NippOn状光学元件。这种透镜内部距中心轴r处的［2］SheetGIass）公司已经采用这种方法研制并开发折射率Nr可用式（1）表示：出了光通信用自聚焦透镜光学元件。Nr=N0sech（gr），（1）本文描述了利用TI++离子交换工艺制备/K其中：光通信用自聚焦

3、透镜的工艺和性能测试结果。N0———棒透镜中心轴上折射率；g———折射率分布常数。由于这种透镜内部折射率的梯度分布特征，"基本理论从透镜端面入射的光线在透镜内部将沿正弦曲线传播。将适当长度的GRIN棒用于光学系统，便离子交换法制备梯度折射率材料的基本原理可实现一定的功能［3-8（］聚焦、准直、成像等）。由如图1所示。用熔盐中的对折射率贡献较小的离于这种GRIN棒内部的折射率变化可以调节，当子部分替换基础玻璃中对折射率贡献较大的离它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学子，使这两种离子在玻璃中的浓度形成一定的梯元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元度，而在玻璃中产生

4、折射率梯度。一价金属离子件。此外这种光学元件的几何形状简单，容易进在玻璃中具有最大的迁移能力，在离子交换过程行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结中起关键作用。构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。因此GRIN在梯度折射率光学元件的制备过程中，为了棒透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其获得较高的折射率变化值!N，基础玻璃中必须［9］具有足够的高极化率离子（TI+，Cs+，Ag+等），是在光纤通信领域中。其中自聚焦透镜用于而用于离子交换的熔盐应含有K+或Na+。光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用/解复收稿日期：2002-01-10；修订日期：2002-06-07

5、基金项目：中科院创新基金（NO.C01L01）484光学精密工程第l0卷l250C，澄清温度为l350C。将熔制后的玻璃加工出直径约为2mm，长度大于l0mm的圆棒，将圆棒放入KNO3的熔盐中进行交换，交换温度为460C。交换时间l50~240h。光透过率用美国PE公司的LAMB-BA型紫外可见近红外分光光度计进行测试，样品厚度为5mm，测试波长范围300~2000nm。在交换后和退火后的玻璃棒的中部截取一薄圆片，圆片的厚度研磨至一定厚度后进行抛光处理。抛光后的样品在自制的干涉测量仪（工作波长!=0.6328）上进行测量。!m"实验结果与分析图2是对厚度为5mm的基础玻

6、璃的透过率曲线。从图中可以看出，在可见光和红外波段，基础玻璃的透过率大于89%，与国外同类产品相图l离子交换原理当。Fig.lPrincipIesOfiOnexchanging.图3是直径为2mm的自聚焦透镜内部折射率梯度的干涉测量结果。离子交换时间为l92h。!基础玻璃配方实验为满足光通信用自聚焦透镜的要求，基础玻璃配方必须符合如下条件：·符合设计要求的光学性能（折射率，光吸收等）；·合理的熔制温度，以及高温下合适的粘度；·满足成型所要求的料性；·较高的离子交换系数；·高温及常温下的足够的化学稳定性。考虑到上述条件，本实验中所用的基础玻璃图2基础玻璃透过率配方如表l。

7、Fig.2TransmittanceOfthebasegIass.表l基础玻璃配方TabIelBasegIassingredientsIngredientsSiO2TiO2B2O3TI2ONa2OZnOOtherCOntentmOI%60~652~34~87~l39~l84~5l~2图4是对图3中折射率梯度的拟合结果。如图例所示：图中的星号表示实验值；实线表示对实玻璃的折射率!（!=0.6328）为l.6070，验结果的拟合曲线；虚线表示理想的双曲正割曲!m玻璃转变温度为460C。线，其中双曲正割分布中的"值由拟合结果中的玻璃熔炼在电阻加