[發明專利]一種梯度折射率石英玻璃透鏡

有效

• 申請號: 201610398866.1
• 申請日: 2016-06-07
• 公開（公告）號: CN105911619B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 毛召召;熊良明;羅杰;郭飛;郭王歡
• 申請（專利權）人: 長飛光纖光纜股份有限公司
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;C03B20/00;C03B33/06;C03C3/06;C03C17/245;C03C15/00
• 代理公司: 武漢臻誠專利代理事務所(普通合伙)42233
• 代理人: 郝新慧

技術領域

本發明屬于光學器件技術領域，更具體地，涉及一種梯度折射率石英玻璃透鏡。

背景技術

梯度折射率(GRIN)透鏡，是指材料內部折射率沿某一方向連續變化的光學透鏡，梯度折射率分布類型有三種：徑向梯度折射率、軸向梯度折射率、球面梯度折射率。徑向梯度折射率透鏡應用范圍最廣、最受關注，其中折射率沿徑向連續減小，且光能夠匯聚為一點的稱為自聚焦透鏡；折射率沿徑向連續增大，對光起發散作用的稱為自散焦透鏡。自聚焦和自散焦透鏡光路示意圖分別如圖1和圖2，光線在其中逐步匯聚或發散。梯度折射率透鏡具有準直、聚焦、發散、耦合及成像等特性，并能有效減少單色像差，包括球差、像差、畸變、場曲和像散，加上它柱狀小巧的外形特點，可以在多種不同的微型光學系統中更加方便的使用。梯度折射率透鏡是光通訊無源器件中必不可少的基礎元器件，并在集成光學領域如微型光學系統、準直器、激光器、光開關、醫用光學儀器、光學復印機、傳真機、掃描儀等設備有著廣泛的應用。

透鏡按材質分類主要有玻璃和塑料兩大類。塑料鏡片易于成型、質量輕、成本低且使用廣泛，但受到塑料材質先天致命缺點的影響，如熱膨脹、易吸水、不耐有機溶劑、光學系數范圍窄且易隨溫度變化等缺點，仍難以取代玻璃鏡片在光學產品中的應用。光學玻璃由于其優異的透光性能和熱膨脹、折射率方面的特性，在高層次的產品中仍然占據主導地位。隨著精密光學系統的發展，梯度折射率玻璃應用也越來越廣，光學系統對梯度折射率玻璃的折射率分布和玻璃質量都提出了更高的要求。

從關于梯度折射率玻璃透鏡的專利分布來看，較多是基于梯度折射率透鏡在光器件中的應用展開的，而透鏡制備技術并不多，可見梯度折射率透鏡應用廣而有效的制備手段少。制備梯度折射率玻璃透鏡的常用方法包括：離子交換法、溶膠凝膠法、中子輻照法、體擴散法和化學氣相沉積等。

離子交換方法是最早用來制備梯度折射率玻璃的方法，利用金屬離子濃度差異作用下的擴散性，離子遷移形成梯度折射率分布。離子交換有兩種方式：(1)熔體中的離子交換。熔融玻璃拉絲法是一種一次成型的工藝，熔融的玻璃液澄清均化后，從下方擠出，成一定直徑的玻璃棒，為了獲得梯度折射率，在玻璃液中心一定深度注入另一種組分玻璃液，經過一定的離子擴散后，從下方擠出成型。專利CN1495139A中介紹了一種雙層熔體結構，通過離子擴散獲得梯度折射率棒狀透鏡的方法。此法離子自由擴散形成梯度折射率，很難控制且易產生污染，從噴嘴口擠出時，容易發生反玻璃化，因此成品率較低，加之無法制備大體積原件、工序復雜、制作成本高，顯然不能滿足對梯度折射率光學玻璃性能、產量的要求。(2)固態下的離子交換。專利US6845634B2中將直徑1.8mm摻有鉈元素的玻璃棒，放置在硝酸鉀的鹽浴鍋中，560℃加熱68～72小時，離子交換而形成拋物線型的折射率分布。此法樣品必須有著較小的尺寸，才能達到一定的離子擴散深度，花費時間長，成品率低，對折射率分布的控制能力有限。

溶膠凝膠法以金屬醇鹽為原料，使之形成凝膠后干燥燒結制得梯度折射率玻璃體，但該法制備的玻璃體較脆、透明度較差，且生產周期長。體擴散法是將不同折射率的玻璃塊體，按折射率分布放置，并在一定熱處理條件下使界面融合，以獲得梯度折射率分布。該法可獲得大尺寸元件，且初始折射率分布易于控制，但只能制備軸向梯度折射率透鏡，不能設計徑向折射率分布。

化學氣相沉積利用化學反應在管內或襯底上沉積玻璃，控制原料濃度以控制折射率分布，該法控制精確，但操作困難，生產溫度高、周期長。

專利TW200641403A介紹了一種離子注入法，以透鏡為基體，金屬單質在電場下離子化，加速進入透鏡，形成離子濃度梯度分布，獲得梯度折射率透鏡。該法能直接在透鏡中形成梯度折射率，控制較為精確，但折射率只能沿軸向分布，且深度較淺，高能離子化對設備要求較高。專利US005630857A介紹了一種多層不同密度玻璃熔體堆疊的方法，高密度熔體在下方，低密度熔體依次傾倒其上，由密度差獲得梯度折射率差。此法僅適合一個方向的梯度折射率玻璃，且過程較難控制，單層折射率分布不均勻。

綜上所述，現有梯度折射率玻璃透鏡制備技術仍存在較多問題，包括很難實現折射率徑向均勻變化的精確控制，較多工藝僅能達到單側或軸向折射率分布，不能實現折射率的圓對稱分布。主流的離子交換工藝，在離子交換的過程中，控制溫度、時間及離子濃度、電場等參數，徑向折射率分布以拋物線形為主，折射率分布類型有限，離子交換時間長，僅在樣品尺寸較小時起效，制備大尺寸透鏡有著很大的限制，且玻璃中的鉈、鉛等重金屬成分對人體有害。

發明內容