CN1790062A - 改善自聚焦透镜像差特性的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及改善自聚焦透镜像差特性的新方法，包括以下步骤：采用薄片干涉法测量自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，得到从样品中心到边部不同位置处的折射率数值和样品的折射率分布曲线；将得到折射率分布曲线与理想的折射率分布曲线比较，确定自聚焦透镜的折射率分布与理想折射率分布的偏离程度；退火处理，一种退火处理方法是，在热处理炉中进行，另一退火处理方法是，利用离子交换炉进行退火处理。一次退火处理后自聚焦透镜玻璃丝的像差特性仍不理想，可以进行第二次退火处理，或者再采用二次离子交换处理。需要的设备少、工艺条件容易达到、操作简便、能有效地修正、自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，使之更接近于理想状态，进而改善自聚焦透镜像差，提高自聚焦透镜质量。
Description
技术领域
本发明涉及微小光学、光纤通信和光信息处理，具体涉及改善自聚焦透镜像差特性的新方法。
背景技术
自聚焦透镜即径向变折射率透镜，是光信息领域的一种十分重要的微小光学基础元件，它具有直径小(可以小于1mm)、焦距短(焦点可以位于端面上)、数值孔径大(可以大于0.6)、成像分辩率高(可以大于2501p/mm)、出射光斑小(可以小于1μm)、消像差性能好等特点，对入射光信息具有很好的准直、会聚、扩束、变换、多重成像能力，在光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域有广泛应用。自聚焦透镜通常用特制的铊系光学玻璃丝，通过光学微加工工艺一离子交换工艺制作。
离子交换是一种很好的光学微加工工艺，在一定温度下，通过该工艺可以实现玻璃丝中的一价被交换离子(如Tl+)从玻璃丝向熔盐中扩散，与此同时熔盐中的一价交换离子(如K+)从熔盐向玻璃丝中扩散，并在玻璃丝中部分取代了被交换离子。离子交换结果是，玻璃丝中Tl+离子的浓度从离子交换前的恒定值变成玻璃丝中心处最高，并沿径向按平方律规律减少。由于玻璃丝的折射率与铊离子的浓度有线性关系，因而在玻璃丝中就形成了折射率中心最高，并沿径向方向递减的一种变折射率分布。理论证明，理想状态的折射率分布满足双曲线正割分布规律，对近轴光线不存在像差。然而，实际上不管怎么样努力，离子交换后的玻璃丝的折射率分布总是或多或少的偏离理想折射率分布，特别是在玻璃丝的边部，折射率分布曲线和理想曲线总是存在较大的偏离。而且通过自聚焦透镜(经离子交换后的玻璃丝，再通过玻璃冷加工就制成自聚焦透镜)的光线，不仅有近轴光线，而且还有大量的离轴光线。因而，自聚焦透镜总是不可避免地存在像差，由于存在像差，自聚焦透镜传输的图像和信息就存在畸变和失真。自聚焦透镜产生像差的根本原因是自聚焦透镜的折射率分布曲线对理想折射率分布曲线的偏离。如果实测的自聚焦透镜折射率分布曲线的边部位于理想曲线的上面，出现的是负球差，桶形畸变；如果实测的自聚焦透镜透镜折射率分布曲线的边部位于理想曲线的下面，则出现的是正球差，枕形畸变。在这两种情况下，自聚焦透镜的像差都较大，出射光斑尺寸也较大，而且光斑也很不规则，严重的影响了自聚焦透镜的质量和在光学系统中的应用。因此，为了减小自聚焦透镜的像差，减少光斑尺寸，就必须改善自聚焦透镜的折射率分布使其更接近于理想折射率分布。二次离子交换处理是改善自聚焦透镜的折射率分布的一种方法。目前，还没有见采用退火的热处理方法来改善自聚焦透镜的折射率分布的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善自聚焦透镜像差特性的新方法，即热处理退火方法对自聚焦透镜的折射率分布进行修正，使之更接近于理想状态，以改善自聚焦透镜像差，提高自聚焦透镜质量。
本发明所述的改善自聚焦透镜像差特性的新方法，包括以下步骤：
a.采用薄片干涉法测量自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，首先将自聚焦透镜玻璃丝横向切割成薄片样品，并将样品两面进行研磨和抛光，使样品厚度小于0.3mm；然后，在沙敏干涉仪上对样品进行测量，得到样品圆环形的干涉条纹照片，对干涉照片进行处理得到从样品中心到边部不同位置处的折射率数值和样品的折射率分布曲线；
薄片干涉法是上世纪70年代中期提出和采用的方法。对该方法的理论分析和具体测试技术参见国防工业出版社1991年出版的刘德森，高应俊的学术专著“变折射率介质的物理基础”第424-426页。
b.将得到折射率分布曲线与理想的折射率分布曲线比较，确定自聚焦透镜的折射率分布与理想折射率分布的偏离程度；
c.退火处理，
一次离子交换后的自聚焦透镜玻璃丝折射率分布实测曲线的边部通常都是高于理想折射率分布曲线，出现负球差和桶形畸变，退火处理有两种不同方式：
一种退火处理方法是，在热处理炉中进行；先将从离子交换炉中取出的自聚焦透镜玻璃丝放入热处理炉中，以每小时150℃的速率升温，用2小时升温至320℃，再以每小时40℃的速率升温，用5小时10分升温至530℃，恒温1小时后，以每小时20℃的速率使炉温从530℃下降至300℃，降温时间是11小时半，在300℃的炉温恒温3小时，然后，再以每小时30℃的速率，用5小时使炉温下降至150℃，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个退火处理工艺共需时间约27小时30分钟。
另一退火处理方法是，利用离子交换炉进行退火处理。将自聚焦透镜玻璃丝从熔盐中取出后，放入离子交换炉中的空坩埚内，在离子交换温度530℃处恒温2小时，再从离子交换温度530℃，以每小时20℃的速率使炉温下降至300℃，降温时间为11小时30分，在300℃的炉温下恒温3小时后，再以每小时30℃的速率使炉温下降至150℃后，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个热处理工艺共需时间21小时30分钟。
如果一次退火处理后自聚焦透镜玻璃丝的像差特性仍不理想，可以进行第二次退火处理，或者再采用二次离子交换处理，对第一次退火处理后的自聚焦透镜玻璃丝的像差作进一步的改善，直到得到满意的像差为止。
热处理退火实质上是一种在无源条件下的离子扩散过程。由于离子交换后的自聚焦透镜玻璃丝内部被交换离子(如Tl+)和交换离子(如Na+)都存在浓度梯度，就出现离子的无源扩散，无源扩散的结果可以改变原来的离子浓度分布，使自聚焦透镜玻璃丝边部的Tl+离子浓度有明显下降，所以，自聚焦透镜玻璃丝边部的折射率也有一定下降，折射率分布曲与理想的分布曲线偏差减小，也就改善了自聚焦透镜的像差。
本发明将通常消除玻璃应力的退火处理工艺用于改善自聚焦透镜像差特性，需要的设备少、工艺条件容易达到、操作简便、能有效地修正自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，使之更接近于理想状态，进而改善自聚焦透镜像差，提高自聚焦透镜质量。表1是退火处理对自聚焦透镜像差的改善情况。
表1
| 样品编号 | 像差特性 | 一次离子交换 | 退火处理 | 二次离子交换(3％Tl2SO4)后退火处理 | 二次离子交换(3％NaNO3)后退火处理 |
| No 01 | 相对畸变 | 0.152 | 0.048 | 0.081 | 0.094 |
| No 02 | 0.160 | 0.049 | 0.015 | 0.092 | |
| No 01 | 纵向球差 | 0.320 | 0.230 | 0.220 | 0.260 |
| No 02 | 0.210 | 0.175 | 0.155 | 0.145 |
附图说明：
图1是自聚焦透镜折射率分布测量的薄片干涉法光路图。
图2是自聚焦透镜退火处理后的折射率分布曲线与一次离子交换处理后的折射率分布曲线和理想折射率分布曲线的比较图。
具体实施方式
实施例1：参见图1，采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜玻璃丝样品的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，测量结果该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布高于理想折射率分布。
采取在热处理炉中进行退火处理的方法；先将从离子交换炉中取出的自聚焦透镜玻璃丝放入热处理炉中，以每小时150℃的速率升温，用2小时升温至320℃，再以每小时40℃的速率升温，用5小时10分升温至530℃，恒温1小时后，以每小时20℃的速率使炉温从530℃下降至300℃，降温时间是11小时半，在300℃的炉温恒温3小时，然后，再以每小时30℃的速率，用5小时使炉温下降至150℃，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个退火处理工艺共需时间约27小时30分钟。
实施例2：参见图1和图2，采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜玻璃丝样品NO 01的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，测量结果该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布高于理想折射率分布。为了改善边部的折射率分布，就要降低自聚焦透镜玻璃丝边部的折射率，使之更接近于理想折射率分布。
采取在离子交换中进行退火处理，其工艺过程是：将自聚焦透镜玻璃丝从熔盐中取出后，放入交换炉中的空坩埚内，然后，在离子交换温度530℃处恒温2小时，再从离子交换温度530℃，以每小时20℃的速率使炉温下降至300℃，降温时间是11小时半，在300℃的炉温下恒温3小时，然后再以每小时30℃的速率使炉温下降至150℃后，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个热处理工艺共需时间21小时30分钟。对退火处理后的样品NO 01，采用薄片干涉法测量其折射率分布，结果是边部的折射率比离子交换后样品的折射率有较大的减小，更接于理想折射率分布。像差测试表明，畸变由0.152降为0.048，纵向球差由0.320降为0.230，参见表1。
实施例3：对自聚焦透镜玻璃丝样品NO 02进行退火处理，其工艺条件和实施例1相同。采用薄片干涉法测量其折射率分布，对处理后的自聚焦透镜玻璃丝样品NO 02，进行折射率分布和像差特性测量，测量结果表明，桶形畸变由原来的0.160降为0.049，纵向球差由原来的0.210降为0.175(参见表1)，明显地改善了自聚焦透镜边部的折射率分布和像差特性。
实施例4：采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜玻璃丝样品NO 01的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，测量结果该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布高于理想折射率分布。为了改善边部的折射率分布，就要降低自聚焦透镜玻璃丝边部的折射率，使之更接近于理想折射率分布。
首先在3％NaNO3与97％KNO3的混合盐中进行第二次离子交换，交换温度是530℃±0.5℃，交换时间是30分钟。对经过一次和二次离子交换处理后的自聚焦透镜玻璃丝样品No 01。然后，按实施例1的退火工艺进行退火处理，热处理后的样品，采用薄片干涉法测量其折射率分布，结果是边部的折射率比第一次离子交换后样品的折射率有一定下降，更接于理想折射率分布，像差测试表明，桶形畸变和纵向球差都有较大的下降，分别为0.094和0.260，对自聚焦透镜玻璃丝的畸变和球差都有明显的改善。
实施例5：采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜样品NO 02的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，确定该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布高于理想折射率分布。为了改善边部的折射率分布，就要降低自聚焦透镜边部的折射率，使之更接近于理想折射率分布。
首先，在3％NaNO3与97％KNO3的混合盐中进行第二次离子交换，交换温度是530℃±0.5℃，交换时间是30分钟。然后，对经过一次和二次离子交换处理后的自聚焦透镜玻璃丝样品No 02，按实施例1的退火工艺进行热处理，对处理后的样品，采用薄片干涉法测量其折射率分布，结果发现在边部的折射率比第一次离子交换后样品的折射率有一定下降，更接于理想折射率分布，像差测试表明，桶形畸变和纵向球差都有较大的下降，分别为0.092和0.145(参见表1)，对畸变和球差都有明显的改善。
实施例6：采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜玻璃丝样品NO 01的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，测量结实果该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布大于理想折射率分布。为了改善边部的折射率分布，首先，在3％Tl2SO4与97％KNO3的混合盐中进行第二次离子交换，交换温度是530℃±0.5℃，交换时间是30分钟；然后，对经过一次和二次离子交换处理后的自聚焦透镜玻璃丝样品No 01，按实施例1的退火工艺进行热处理；对热处理后的样品，采用薄片干涉法测量其折射率分布，结果是边部的折射率都比第一次离子交换后样品的折射率有一定下降，更接于理想折射率分布，像差测试表明，桶形畸变和纵向球差都有较大的下降，分别为0.081和0.220，对畸变和球差都有明显的改善。
实施例7：
采用薄片干涉法测量第一次离子交换后自聚焦透镜玻璃丝样品NO 02的折射率分布，并测量样品的畸变和球差，测量结果该样品是负球差，桶形畸变，其边部的折射率分布高于理想折射率分布。为了改善边部的折射率分布，首先在3％Tl2SO4与97％KNO3的混合盐中进行第二次离子交换，交换温度是530℃±0.5℃，交换时间是30分钟。然后，对经过一次和二次离子交换处理后的自聚焦透镜样品No 02，按实施例1的退火工艺进行热处理，对热处理后的样品，采用薄片干涉法测量其折射率分布，结果是边部的折射率都比第一次离子交换后样品的折射率有一定下降，更接于理想折射率分布，像差测试表明，桶形畸变和纵向球差都有较大的下降，分别为0.015和0.155，对畸变和球差都有明显的改善。
上述实施例说明，热处理退火过程实质是离子的无源扩散，通过在退火处理过程中离子的扩散，就可以改变原来的离子浓度分布，自聚焦透镜玻璃丝边部的Tl+离子浓度有明显下降，因而自聚焦透镜玻璃丝边部的折射率也有一定下降，就可以改善离子交换后自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，进而改善了自聚焦透镜的像差特性。退火处理工艺可以单独使用，也可以和二次离子交换工艺联合使用，这样对改善折射率分布和像差有更理想的效果。
Claims (2)
1、改善自聚焦透镜像差特性的新方法，包括以下步骤：
a.采用薄片干涉法测量自聚焦透镜玻璃丝的折射率分布，首先将自聚焦透镜玻璃丝横向切割成薄片样品，并将样品两面进行研磨和抛光，使样品厚度小于0.3mm；然后，在沙敏干涉仪上对样品进行测量，得到样品圆环形的干涉条纹照片，对干涉照片进行处理得到从样品中心到边部不同位置处的折射率数值和样品的折射率分布曲线；
b.将得到折射率分布曲线与理想的折射率分布曲线比较，确定自聚焦透镜的折射率分布与理想折射率分布的偏离程度；
c.退火处理，退火处理有两种不同方式：
一种退火处理方法是，在热处理炉中进行；先将从离子交换炉中取出的自聚焦透镜玻璃丝放入热处理炉中，以每小时150℃的速率升温，用2小时升温至320℃，再以每小时40℃的速率升温，用5小时10分升温至530℃，恒温1小时后，以每小时20℃的速率使炉温从530℃下降至300℃，降温时间是11小时半，在300℃的炉温恒温3小时，然后，再以每小时30℃的速率，用5小时使炉温下降至150℃，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个退火处理工艺共需时间约27小时30分钟；
另一退火处理方法是，利用离子交换炉进行退火处理。将自聚焦透镜玻璃丝从熔盐中取出后，放入离子交换炉中的空坩埚内，在离子交换温度530℃处恒温2小时，再从离子交换温度530℃，以每小时20℃的速率使炉温下降至300℃，降温时间为11小时30分，在300℃的炉温下恒温3小时后，再以每小时30℃的速率使炉温下降至150℃后，自然冷却到室温，即可取出自聚焦透镜玻璃丝，整个热处理工艺共需时间21小时30分钟。
2、根据权利要求1所述的改善自聚焦透镜像差特性的新方法，其特征在于，一次退火处理后自聚焦透镜玻璃丝的像差特性仍不理想，可以进行第二次退火处理，或者再采用二次离子交换处理，对第一次退火处理后的自聚焦透镜玻璃丝的像差作进一步的改善，直到得到满意的像差为止。
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|---|---|---|---|---|
| CN112279524A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-01-29 | 西安玖盈通讯科技有限公司 | 渐变折射率光学透镜的分段式离子交换制造方法 |
| CN113759546A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-12-07 | 广东工业大学 | 一种基于高阻层厚度的透镜设计方法 |
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